你应该知道的电流检测电阻选择权衡

 测量已知电阻器上的电压似乎是一项简单的任务。然而，为了正确可靠地设计电流检测分流电阻器，即我们说的合金电阻，必须牢记一些考虑和权衡因素。

电流检测电阻的大小

它以 V = IR 开始

在许多设计中，必须测量流向负载或进出电池的电流。有几种方法可以做到这一点，其中广泛使用的是通过检测电阻器。这个想法很简单：在载流引线上串联一个已知值的电阻器，测量它两端的电压降，做简单的 I = V/R 数学运算（可以用数字方式完成，但通常用模拟电路来完成） )，您就完成了（图 1）。（注意：这种串联电阻通常被称为“分流”电阻，这是用词不当，因为真正的分流器与负载并联。）

这种传感解决方案看起来相当简单，而且理论上确实如此。但工程设计是原则与现实相结合的地方，也是做出平衡决定的地方。这里显而易见的问题是该贴片电阻器使用的电阻值是多少，这就是权衡开始的地方：

一方面，更大的电阻器使电压读数更容易并提供更高的分辨率，因为它增加了动态范围并提高了电压读数的信噪比 (SNR)。

然而，该较大值的电阻器也会“抢夺”负载的可用轨电压，因为压降从到负载的电源轨电压中减去。因此，就*小化负载的可用电压损失而言，较小的电阻器更好。

一些基本的数学表明了这种困境。考虑一个 5V 电源轨为负载提供适度的 2A *大值，这两个值都是合理的中间值。100-mΩ 电阻器将产生*大 200-mV 压降，当您尝试在存在噪声和其他干扰的情况下尝试测量电流至 1%（此处为 2 mV）时，这不是一个大值电路问题。此外，200 mV 的压降代表 200 mV/5V = 0.04 或轨的 4%，这是很多“放弃”。

此外，从电源到负载到地（或电路公共端）的输出环路中的电阻器可能会影响环路动态和瞬态响应。源及其控制器将该电阻器视为其负载的一部分，但它不是源试图提供的实际负载的一部分（在图 1 中指定为“负载” ）。源感知的负载与真实负载之间存在不匹配，这会影响预期与实际性能。电阻器 (P = I 2 R)消耗的任何功率也会增加系统效率。

因此，感应电阻器的困境很明显：较高的电阻值会导致较大的电压降（有利于测量），但也会“窃取”更多可提供给负载的轨*大电压，对输出环路动态和降低效率（全坏）。

什么是可接受的电压降和相应电阻值的“经验法则”起点？事实证明，在从低电压/低电流设计到更高设计的各种情况下，100 mV 压降似乎是一个很好的起点。鉴于此电压降和*大电流，计算正确的电阻值很简单。

电流检测通常使用哪些电阻值？对于习惯于选择 1、10 甚至 100 千欧电阻的设计人员来说，这可能是一个惊喜。算一下，您会发现电阻通常低于 1 欧姆，并且通常远低于该值，达到个位数毫欧甚至更低。这些“奇怪的”值被广泛使用，以至于它们是多个供应商提供的许多配置和额定值的标准组件。

这个故事不仅仅是选择一个低值的电阻器（超低阻值贴片电阻

），因为对读取分辨率、SNR 和浪费的干线电压的影响只是问题的一个方面。另一个考虑因素也很重要，但更难评估：

自热效应

由于温度系数和由此产生的漂移，检测电阻值会发生自热。与电阻器 I 2 R 自热功耗相关的热影响非常显着，并且会影响读数的完整性以及电阻器的选择。

这种不可避免的自热有几个负面后果：

它代表热量，它会增加系统的热负荷，因此必须加以管理和消除。

它代表电力浪费和效率降低，从而缩短了电池供电产品的运行时间。

也许不太明显但特别重要的是，热量会导致电流感应电阻器的温度升高，这会改变电阻器的值，​​从而影响电流确定的可信度（由“已知”电阻器两端的电压读数确定） ）。

后一个因素经常被忽略，至少一开始是这样，因为很容易假设固定值电阻就是这样。数字显示了由电阻器的电阻温度系数 (tempco) 定义的影响。即使是具有适度电流的小值电阻器的耗散也会导致标称值的显着漂移。

这是设计人员尝试使用尽可能小的电阻值的另一个原因，与为可行的读数提供足够的压降相称。请注意，由于耗散与电流的平方成正比，因此降低电流会更有效，但这是由系统负载设置的，无法更改。

考虑 1A 电流和 1Ω 电阻器，因此散热量为 1 瓦。对于物理上很小的电阻器，这足以使温度升高数十度，具体取决于电阻器的放置位置和方式、气流和其他因素。这就是为什么电阻器的数据表包含电阻温度系数规范的原因，通常表示为每摄氏度百万分之几 (ppm/°C) 或百分比/每摄氏度 (%/°C) 的变化。1000 ppm/°C 的温度系数等于 0.1%/°C。

通过数字，温升会对电阻值产生重大影响，图 2。考虑用于非关键电路的标准电阻器，其温度系数约为 1000 ppm/°C 或 0.1%/°C。升高 50°C 会导致电阻变化 5%，而可能升高 100°C 会导致变化 10%。这在许多应用中可能过多。

由于许多设计中所需的电阻值非常小——通常远低于 1 欧姆——似乎快速、简单和“免费”的检测电阻解决方案是只使用较短的 PC 板铜迹线，计算其尺寸以提供精确的电阻值。但是，用于 PC 覆层的普通铜的典型温度系数为 4000 ppm/°C 或 0.4%/°C，这意味着任何自热（由环境板和产品热量加剧）都会导致较大的漂移和错误。相比之下，PC 板走线宽度、长度和铜厚度的正常公差会增加初始误差。因此，仅在精度要求非常宽松的情况下才使用 PC 板走线技术。

感应电阻满足需求

在选择在应用中不会过度漂移的电阻器时，设计人员有多种选择：

选择瓦数较高的电阻器，它可以以较小的温升耗散功率。

选择专为此功能设计的电阻器，其固有温度系数漂移要低得多。

正确的选择取决于情况，许多设计师选择了第二个选项。尽管低温度系数电阻器成本高昂，但它们需要的电路板空间更小，并且可以更好地保证一致的结果。

供应商提供具有一系列额定功率的低欧姆、低温度系数标准电阻器系列。典型的“低温度系数”电阻器的温度系数值大约为 100 ppm/°C，并且有更昂贵的电阻器，温度系数低至 10 至 20 ppm/°C，甚至在精密情况下为 1 ppm/°C（在当然成本更高）。但在“库仑计数”和电源管理至关重要的应用中，成本可能非常值得。

其中一些电流检测电阻适合仅用于直流和低频应用，而另一些则专门设计为具有低自感，因此可以在更高频率下使用。电流检测电阻器，尤其是在高额定功率时，通常看起来不像标准的“芯片”电阻器，而是看起来像普通的金属条或功率器件（图 3、4和5）。它们采用高度专业化的材料和专有的制造技术制成。它们的温度系数经过仔细控制和测量，并且增加了设计分析挑战，这些温度系数在整个工作范围内并不是恒定的。

结论

如何使用电阻器检测电流这个看似简单的问题是在易于解释的情况下在工程权衡之间找到*佳平衡点的一个很好的例子。在确定电阻欧姆值、温度系数和额定功率时，有许多可用选项。即便如此，做出这些尺寸决定只是完整解决方案的一部分，因为还存在与电子设备相关的问题，即感应电压、开尔文连接、高共模电压、接地回路、隔离，甚至安全考虑。