欢迎来到凡亿教育课堂

微信扫码登录
账号密码登录
手机快捷登录

微信扫一扫,关注后即可登录

免费注册 忘记密码?

快速登录

快速登录

注册

Hi,欢迎加入凡亿课堂

长度6-15位的密码

请输入手机号码

+86
下一步 如需帮助,请致电客服:0731-8388-2355
凡亿教育

电路设计之电流测量

2019年11月13日 11:11

129

电流测量的基础知识

电路设计电流是用于评估、控制和诊断电子系统工作有效性的最常见参数之一。由于电流测量是一种非常常见的测量方式,因此如果设计师忽视了精确电流测量的细微差别,往往会遇到麻烦。

用于检测电流的最常见传感元件是置于电流路径中的低阻值精密电阻器。该电阻通常称为分流器,会在两端产生一个与通过它的电流成比例的电压。由于分流电阻器不应该显著影响电流,所以它通常非常小,阻值为毫欧级或不到一毫欧 (mΩ)。分流电阻器两端产生的电压因此也非常小,在被 ADC 转换之前通常需要放大。

电路设计结合这些因素,针对电流监控的常用信号链配置会涉及到一个用于放大分流电阻器两端电压的模拟前端、一个将放大的电压转换为数字表示的 ADC,以及一个系统控制器。

AFE 通常使用运算放大器或专用电流检测放大器实现,将分流电阻器两端产生的小差分电压转换为更大的输出电压,以便使用完整的 ADC 测量范围。ADC 可以是独立器件,也可以是微控制器或片上系统 (SoC) 内的片载模块,可对电压信号进行数字化处理,并将结果信息提供给控制处理器。系统控制器使用电流的数字化测量结果来优化系统性能或实现安全协议,以防止在电流超过预设限值时损坏系统。

在将电流转换为电压的链路中,电阻器作为传感器元件,其任何物理特性(电阻、容差、功率容量、热系数和热电势)都会影响精度。因此,选择合适的分流电阻器对于优化电流测量至关重要。

分流电阻器两端产生的分流电阻值和相应电压会扰乱系统。例如,电阻太大的分流电阻器可降低用于驱动负载的电压,并导致不必要的损耗。

举个例子,当测量电机绕组的电流时,降低的电压会减少电机可用的电能,从而影响其能效和/或扭矩。此外,流经分流电阻器的大电流(数十或数百安培)将导致电阻器消耗大量电能,散发废热,使得测量精度和效率降低。出于以上原因,分流电阻器应尽可能小。

电路设计

电路设计挑选用于测量电流的分流电阻器

由于分流电阻器会因负载电流流过而消耗电能,因此它们的电阻值需要非常低。此外,为实现测量稳定性,电流检测电阻还应具有非常低的电阻温度系数 (TCR)。低 TCR 将有益于实现高测量精度,且受温度影响较小。

电流检测电阻的热电势是另一个重要特征。分流电阻器必须在宽电流范围内工作。当电流较低时,例如在睡眠或待机模式下的电池应用中,分流器的热电势会将测量误差电压增加到流经电阻器的电流所产生的电压。该误差电压应显著低于流经分流电阻器的目标电流产生的最低预期电压,从而最大限度减小测量误差。

用于电流检测应用的分流电阻器提供两个或四个端子。带有两个端子的分流电阻器最容易理解,因为它的工作方式与任何双端子电阻器的工作方式相同。电流通过双端子分流电阻器,会在其端子上产生一个与通过电阻器的电流成正比例的电压。

双端子分流电阻器的示例包括 Bourns CSS2 分流电阻器系列和 Vishay WSLP 分流电阻器系列。Bourns CSS2 系列包括额定功率为 2 至 15 W 的分流电阻器,电阻介于 0.2 至 5 mΩ,最大额定电流介于 140 至 273 A。该系列中的典型器件 CSS2H-2512R-L500F 采用 2512 表面贴装封装,电阻为 0.5 mΩ,额定功率为 6 W。

Vishay 的 WSLP 分流电阻器系列具有不同的表面贴装封装类型,封装尺寸从 0603 至 2512 不等,额定功率为 0.4 至 3 W,电阻为 0.5 mΩ 至 0.1 Ω,电阻容差为 0.5% 或 1%。WSLP1206R0150FEA 就是一个典型的 Vishay 分流电阻器,它采用 1206 封装,电阻为 15 mΩ,容差为 1%,额定功率为 1 W。

请注意,这些表面贴装技术 (SMT) 分流电阻器较小,需要的电路板空间很小,但由于它们的发热量很大,因此应远离热敏元件。

一个分流电阻器中三个电阻

分流电阻器并不像其外表看起来那么简单。具体而言,分流电阻器的电阻实际上由三个电阻组成。首先,分流电阻器本身有电阻。其次,分流电阻器引线和分流电阻器连接的印刷电路板上的引线也有电阻。通常这些引线电阻不明显,但是分流电阻器的电阻值通常非常低。在高电流测量中,即使很小的引线电阻也会引入测量误差,因为制造商的分流电阻器电阻规格中并未考虑这些电阻。

避免外部引线电阻引起测量误差的一种方法是,通过在双端子分流电阻器上部署单独检测印制线来建立开尔文连接。

在此配置中,大的电路板印制线承载分流电阻器的电流输入和输出。小的多的印制线则不在主电流中,但尽可能靠近分流电阻器的电阻元件,截取分流电阻器两端的电压并将该电压传送到 AFE。将载流端子与检测端子分开,即形成开尔文连接。

使用双端子分流电阻器的开尔文连接的结果示意图。

流经两个检测电阻的电流非常小,因为它们连接到放大器或 ADC 的高阻抗输入端,这使其电阻远不如承载分流电阻器输入和输出高电流的引线电阻值重要。因此,检测电阻上的电压降非常小,不构成电流测量的重要误差源。


查看更多
手机