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選擇一個(gè)電流檢測電阻器很容易？通過簡單測量已知電阻兩端的電壓，然后應(yīng)用歐姆定律和I=V/R(圖1)來確定電流，人們對這種基本功能寄予厚望。還有什么比這更簡單的嗎？

圖1 使用電阻器R和相關(guān)壓降V(B-C處)來測量電流I(從A到D)的原理很簡單，但也存在著一些必須承認(rèn)的微妙之處。當(dāng)電流在100毫歐范圍及以下時(shí)，通常使用四線高阻抗開爾文檢測。資料來源：Vishay Intertechnology via Eastern States Components

但事實(shí)上這一點(diǎn)也不簡單。首先是確定電阻值的問題。一方面，較大的值會增加其兩端的壓降，使讀數(shù)幅度更大，進(jìn)而提高信噪比和分辨率精度。但是，使用較大的電阻值會浪費(fèi)電能，并可能會影響回路穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼤陔娫春拓?fù)載之間增加更多的“空閑”電阻，并導(dǎo)致電阻器自發(fā)熱增加。

因此，電阻值越低越好。在實(shí)踐中，許多設(shè)計(jì)人員會將電阻器的最大壓降設(shè)定為最高電流時(shí)的100mV，以此作為折衷點(diǎn)。但無論選擇什么值和相關(guān)的壓降，該電阻器的“最佳”值始終會受到爭論和非議，同時(shí)也要取決于電流檢測的優(yōu)先事項(xiàng)。

IR壓降問題

顯而易見的IR壓降問題是兩個(gè)密切相關(guān)的問題中的第一個(gè)，而第二個(gè)問題則是在做了第一個(gè)決定后不可避免的結(jié)果。無論選擇的電阻值是多少，它都會產(chǎn)生電阻自發(fā)熱，這是一個(gè)隱蔽的潛在問題，特別是當(dāng)檢測電阻器承載數(shù)安培及以上電流時(shí)。盡管標(biāo)稱值較低(通常僅為毫歐)，但這是不可避免的：當(dāng)有安培級的電流流動時(shí)，就會產(chǎn)生瓦特級的散熱。

其次，也是迫在眉睫的問題是，這種自發(fā)熱會改變檢測電阻器本身的標(biāo)稱值，從而破壞感知到的電流值的讀數(shù)。

那么該怎么辦？除非電流在毫安或微安范圍內(nèi)，自發(fā)熱很小，否則任何負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)人員都必須使用供應(yīng)商提供的電阻溫度系數(shù)(TCR)數(shù)據(jù)來分析電阻變化，如圖2所示。請注意，此分析甚至可能是一個(gè)反復(fù)的過程，因?yàn)殡娮枳兓赡軙绊戨娏?取決于驅(qū)動電流進(jìn)入負(fù)載的原因)，這反過來可能會影響自發(fā)熱，從而影響電阻。

圖2 鎳鉻合金電阻率與絕對溫度的函數(shù)關(guān)系顯示了典型的TCR情況，但每種材料都有其獨(dú)特的關(guān)系。資料來源：Topper Learning /Greycells 18 Media

TCR通常來說并不是一個(gè)可以忽略的小數(shù)字。它一般以每攝氏度百萬分之一(ppm/°C)為單位；一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1%電阻的TCR約為幾千ppm/°C?？傠娮枳兓桥c電阻器元件中所用材料、額定功率和元件實(shí)際物理尺寸相關(guān)的函數(shù)。

電流檢測精度

總體電流檢測精度誤差的預(yù)算需要考慮三個(gè)因素：初始電阻容差、環(huán)境溫度變化引起的TCR誤差以及自發(fā)熱引起的TCR誤差。幸運(yùn)的是，供應(yīng)商會提供具有極低TCR的專用精密金屬箔電阻器。

它們通過在"秘方"中使用混合了銅、錳和其他元素的各種合金，以及管理并使用能最大限度降低TCR的生產(chǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。例如，Bourns的CRL2010-FW-R015E為51mΩ、1%器件，TCR為±200ppm/°C(請參閱應(yīng)用說明“Designer’s Guide to Chip Resistors, Chip Diodes and Power Chokes for Power Supplies and DC/SDC Converters”)。這是一種棘手的合金配方：例如，有些違反直覺的是，盡管標(biāo)稱TCR高達(dá)4000ppm/°C，但銅經(jīng)常被添加到混合物中，因?yàn)樗梢愿纳普w散熱并減少自發(fā)熱。

為了在儀表應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最終的精確測量，最低TCR的電阻器還附帶有電阻隨溫度變化的完全特性曲線，該曲線呈拋物線形狀，同時(shí)取決于合金組合。

雖然基本的TCR相關(guān)計(jì)算看似簡單，但任何高精度分析都必須考慮到TCR本身是非線性的(請參閱Vishay的技術(shù)說明“Non-Linearity of Resistance/Temperature Characteristic: Its Influence on Performance of Precision Resistors”)。高精度分析中還必須考慮電阻引線的TCR。

圖3 三種不同金屬箔電阻器(及其推出年份)的電阻-溫度特性顯示出了不同的TCR非線性。資料來源：Vishay Intertechnology

當(dāng)然，某些應(yīng)用并不需要非常高的精度，使用粗略的測量就可以了。對于這些情況，可以使用標(biāo)準(zhǔn)電阻器。但很多情況下確實(shí)會需要選擇合理的一致性、精度和電阻自發(fā)熱，而此時(shí)TCR很容易使推定的電流值誤差過大。

電流檢測選擇

設(shè)計(jì)人員必須決定是否使用成本較低的檢測電阻，這就需要接受或處理由此產(chǎn)生的TCR漂移影響，或者使用成本更高、TCR極低的器件，選擇瓦數(shù)更高、物理尺寸更大、TCR適中但耗散特性更好的電阻器，亦或是在電阻上添加一個(gè)微型散熱器。當(dāng)然無論選擇哪種方法，毫無疑問都會在設(shè)計(jì)審查時(shí)被問到為什么不選擇其他方法。

盡管對于簡單的V=IR關(guān)系來說，它“只是一個(gè)電阻器”，但其影響可能是巨大的。在帶有大型電池組、光伏陣列或電機(jī)驅(qū)動器的電動汽車/混合動力汽車等系統(tǒng)中使用不準(zhǔn)確的電流值，可能會導(dǎo)致無法解釋的行為、不達(dá)標(biāo)的性能和效率，甚至造成危險(xiǎn)。。

您是否遇到過由于電流檢測電阻TCR、環(huán)境溫度變化和電阻自發(fā)熱而導(dǎo)致的意外問題？您在設(shè)計(jì)中是如何解決它的？您最終是否采用了非電阻電流檢測解決方案？

作者：BILL SCHWEBER， 來源：EDN姊妹網(wǎng)站Planet Analog

參考原文：Current-sense resistor brings two related and challenging tradeoffs，由Ricardo Xie編譯。