當(dāng)進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，通常設(shè)計(jì)人員會(huì)首先考慮利用專用電阻來(lái)完成設(shè)計(jì)，不過(guò)有時(shí)候，也會(huì)考慮利用PCB跡線來(lái)進(jìn)行電流檢測(cè)。
電流檢測(cè)電阻通常被稱為電流分流器，可以用來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)負(fù)載中的電流。這些分流電阻與負(fù)載串聯(lián)，電阻上產(chǎn)生的電壓與流過(guò)它的電流成正比。但在大電流應(yīng)用中，檢測(cè)電阻的體積通常將會(huì)很大，并以發(fā)熱的形式耗散大量功率。在這些設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，利用印刷電路板上現(xiàn)成的覆銅跡線來(lái)檢測(cè)電流，可能是一種不錯(cuò)的解決方案。
不過(guò)，采用銅跡線作為分流器，也還面臨著其他一些問(wèn)題，最顯著的為如下幾個(gè)：
低電阻率
銅的電阻率非常低，這意味著要么是采集的檢測(cè)信號(hào)電壓非常小，需要相對(duì)高難度的放大處理;要么是需要較長(zhǎng)長(zhǎng)度的覆銅跡線來(lái)實(shí)現(xiàn)既定的電阻值，從而需要占用較大的PCB面積，導(dǎo)致成本增加。
容差限制
當(dāng)利用銅跡線進(jìn)行電流檢測(cè)時(shí)，跡線的PCB面積還受到電阻容差的影響。雖然窄銅跡線的電阻率較高，利用窄跡線可以減短跡線長(zhǎng)度，進(jìn)而也會(huì)減小PCB占位面積，但印刷電路板跡線的蝕刻公差限定了最小跡線寬度，通常被限定為0.015～0.025英寸。
高溫度系數(shù)
另一個(gè)困難是銅的溫度系數(shù)，該值為0.39%/℃。這意味著溫度每上升50℃，給定電流下的壓降將增加20%。還要注意的是，尺寸公差會(huì)直接影響電阻的阻值。通常，印刷電路板蝕刻工藝的邊緣控制能力，確定了可接受的最小寬度。
精確的銅跡線電流檢測(cè)
本文所討論的解決溫度系數(shù)問(wèn)題的方法，借鑒了芯片電路設(shè)計(jì)技術(shù)，即利用幾何比值來(lái)確定電路增益，而不是采用絕對(duì)值。即便是采用這種方法，也并非毫無(wú)困難。因?yàn)閴航捣浅５?，通常都?0mV以下。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代零漂移(自動(dòng)歸零或斬波)運(yùn)算放大器，為解決低壓降問(wèn)題提供了成熟的解決方案。下面將會(huì)看到，在實(shí)現(xiàn)初始精度方面，仍然存在一些限制，不過(guò)一旦經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，這種方法就會(huì)非常精確。
本文設(shè)計(jì)思路是創(chuàng)建兩個(gè)具有幾何關(guān)系的電阻，該幾何關(guān)系將確定所需增益。例如，考慮一個(gè)大電流路徑(稱為RSHUNT)，其(歸一化)尺寸如下：L (長(zhǎng))=1，W (寬)=10。而增益設(shè)置元件(稱為RGcreate)則采用另一種圖形，即L=10，W=1。這樣得出的尺寸比、進(jìn)而得到的電阻比為100：1。由于增益電阻的作用是對(duì)大電流RSHUNT路徑進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因此其位置應(yīng)對(duì)稱，并靠近RSHUNT元件。
圖1所示的簡(jiǎn)化原理圖，為初步測(cè)試上述概念所用的基本電路。運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)MOSFET，并通過(guò)增益電阻提供所需的反饋電流，電壓輸出與測(cè)量電流成正比。這是一個(gè)專為“低側(cè)檢測(cè)”設(shè)計(jì)的基本電路，其中電流分流器的一個(gè)端子接地，放大器輸出參考點(diǎn)為地。
圖1：用于低側(cè)電流檢測(cè)的基本電路，采用了帶溫補(bǔ)的PCB銅跡線分流方案。本文圖片來(lái)源：微芯科技
請(qǐng)注意，該電路要求運(yùn)算放大器具有類似于零漂移放大器那樣的超低輸入偏移。
在圖1的簡(jiǎn)化原理圖中還可以看到，流過(guò)R3和RG的電流始終是輸入電流及RSHUNT與RG電阻之比值的函數(shù)。對(duì)于RSHUNT和RG的實(shí)際值，其實(shí)只有一個(gè)要求，就是其總值的選擇需確保流經(jīng)的電流不超過(guò)MOSFET T1中的電流限值。而RSHUNT和RG的比值，可通過(guò)以下公式確定：
IT1=IIN(RSHUNT/RG)
該電流公式設(shè)定了一個(gè)比率，輸出電流是輸入電流的一部分，并與幾何比率成正比。R3上的電壓用作輸出，可通過(guò)增益調(diào)節(jié)將其調(diào)整至所需值。在一個(gè)電路板布局實(shí)例中，繪制出了低側(cè)電流檢測(cè)電路的RSHUNT和RG，具體如圖2和圖3所示。
圖2：期望的分流電阻和增益電阻跡線布線設(shè)計(jì)。
圖2所示為與電路板銅跡線增益電阻和銅跡線分流電阻比例相匹配的布線方案圖，該方案可最大限度地減小初始誤差和溫度影響。電阻的布局充分利用了比例和交叉圖案方法。
圖3：測(cè)試電路板特寫(xiě)示意圖。
圖3中的25美分硬幣，是用來(lái)比擬電路板實(shí)際尺寸的。從TP6到TP7的跡線就是分流電阻RSHUNT，而從TP6到TP8的跡線則是銅增益電阻RG。被硬幣覆蓋的部分則是相同功能的拼版電路。
高側(cè)電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)
依據(jù)圖4所示眾所周知的“電流驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)”電路，可構(gòu)建高側(cè)檢測(cè)電路。
圖4：用于高側(cè)檢測(cè)的電流驅(qū)動(dòng)型電流檢測(cè)電路示意圖。
電流驅(qū)動(dòng)電路很容易適應(yīng)這種線路補(bǔ)償方法，其中的RCuSHUNT和RCuGAIN1都是PCB跡線。RG是一個(gè)傳統(tǒng)的電阻，用于設(shè)置所需的總增益電平。Z1是供運(yùn)算放大器使用的軌到軌齊納穩(wěn)壓器。D1在負(fù)載短路時(shí)提供輸入保護(hù)。輸出為：
VOUT=(IINRCuSHUNT/RCuGAIN)RGAIN
專用并聯(lián)電流檢測(cè)
當(dāng)在PCB線路上實(shí)施電流檢測(cè)時(shí)，工程師很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)人類發(fā)明電阻的原因。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)精確的印刷電路跡線電流檢測(cè)，所需的PCB空間必然比分流器所需的電路板面積大得多。
請(qǐng)記住，放大器偏移量最好能夠限制到5～10µV之間，而良好的精度始于高于這一數(shù)量級(jí)的滿刻度電壓降。如果將所有因素都考慮在內(nèi)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)物理尺寸最小的解決方案將是專用的分流電阻方案。
圖5：利用電流檢測(cè)放大器的專用電流檢測(cè)電路。
圖5所示電路說(shuō)明了利用專用分流電阻和電流檢測(cè)放大器的簡(jiǎn)便性。分流電阻具有精確的電阻值和較低的溫度系數(shù)?，F(xiàn)代的零漂低偏移電流檢測(cè)放大器，支持較低的分流壓降，提高了效率，并且由于分流功耗較小，從而能夠支持更小的分流電阻。無(wú)論是單向電路還是雙向電路，其實(shí)現(xiàn)也都變得相對(duì)比較容易。
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