使用電流檢測電阻精確測量電流的設計技巧

給大家分享關于電流檢測電阻工作原理、電流檢測電阻選擇、電流檢測電阻類型、電流檢測電阻設計案例相關的知識。

什么是電流檢測電阻？

在許多通用電子應用中，通常都需要電流感應來監(jiān)控和控制應用。 例如：電池充電器電路需要電流感應技術從驅動器、控制器的角度確定充電電流。

不同類型的電流傳感器具有不同的電流傳感技術，用來測量或者檢測電流。 電流檢測最常用且最具成本效益的解決方案是分流電流傳感器，也就是檢測電阻。

電流檢測電阻類似于普通電阻，但具有非常低的電阻額定值和高額定功率。 這些具有已知電阻值 (R) 的分流電阻放置在電流傳導路徑中，可以讓要測量的全部電流 (I) 流過電阻。

電流檢測電阻工作原理

分流意味著為電路提供不同的路徑，電流檢測電阻也是一樣的，為電流從一個電路部分流向另一個電路的另一個部分，創(chuàng)建一個非常低的路徑。 在這條路徑上，每當電流通過低電阻區(qū)域時，無論電流量大小，都可以測量流過電路的電流量。

現(xiàn)在通過測量電阻兩端的電壓降 (V) ，使用簡單的歐姆定律 (I=V/R)，我們可以計算流過電路的電流量。

V = I x R

其中 V 是分流電阻上出現(xiàn)的電壓降，I 是電流流動速率，R 是分流電阻值，單位為歐姆。 因此，如果電阻是靜態(tài)的，例如所有情況下為 1 ohm，則 V 取決于 I。

電流檢測電阻選擇-需要考慮哪些參數？

電流檢測電阻是一種特殊類型的電阻。 它不同于電子電路中傳統(tǒng)使用的電阻。 通用電阻用于非常低的工作電流，通常用于標準環(huán)境溫度，例如 0-85 攝氏度。 但是，由于流過的電流很大，電流檢測電阻的溫度系數范圍很廣。

標準電阻和電流檢測電阻之間的主要區(qū)別在于熱電動勢的溫度系數。 在普通電阻中，熱電動勢被忽略，但在電流檢測電阻中，根據溫度，兩種不同的導電材料會產生可變電壓。

因此，元件材料電流檢測電阻的選擇很重要。 大多數時候，錳銅（-3.0 uV / o C 熱電動勢，具有出色的溫度系數范圍）用于制造外露刀片分流電阻。

下面是選擇電流檢測電阻需要注意的幾個重要參數。

1、電流檢測電阻--分流電阻的阻值和額定功率

電阻值是電流檢測電阻的重要參數，該值將決定在電流流動期間電壓會下降多少。

電路檢測電阻值可以從電流檢測放大器的角度來確定。 根據電流檢測放大器的最大電流和最大輸入電壓，可以選擇分流電阻的值。 但是，較大的值會影響分流電阻的額定功率并增加散熱量。

電流檢測電阻電路圖（雙擊可放大）

上述電流檢測電阻電路顯示了如何將分流電阻放置在載流路徑中，以及如何使用電流檢測放大器計算電阻器兩端的電壓降。

分流電阻的功耗可以使用以下公式確定：

P = V x I

其中V是電壓，I是電流。 由于可以使用歐姆定律確定分流電阻上的壓降。 分流電阻的功耗可以通過以下方式確定：

P = I 2 R

因此，具有較小值的分流電阻器將產生較少的熱量，并否決使用額外的散熱器。

分流電阻值通常為毫歐額定值，通常是合適的，并且在大電流中產生的功率耗散較小。 電阻的瓦數會更低，尺寸會非常小，有助于更小的 PCB 面積。

但是，分流電阻的功耗也可以使用電阻器的PCR 值來確定。 PCR 代表電阻功率系數（ppm/W），表征不同阻值電阻的不同功耗值。

2、電流檢測電阻-分流電阻容差

電子產品中沒有什么是理想的，分流電阻也不例外。 因此，分流電阻的容差是影響分流電阻傳感精度的重要參數。 普通通用電阻的容差為 10%、5% 甚至 1%。 因此，額定值為 10 歐姆且容差為 10% 的電阻將具有從 9 歐姆到 11 歐姆的值。 在正常操作期間，由于環(huán)境溫度和其他附加依賴性，該值會發(fā)生變化。

然而，在大多數應用中，電阻容差并不重要，但對于應用輸出高度依賴于感測值的應用，容差成為需要考慮的關鍵參數。

分流電阻容差范圍從 1% 到 0.1%，但是，需要多少精度完全取決于應用要求，需要根據此參數選擇電阻。

3、電流檢測電阻-分流電阻的溫度系數

電阻的 TCR 或溫度系數 (ppm / °C ) 是決定電阻溫度變化會改變多少電阻的參數。 溫度系數是分流電阻應用中的一個重要參數，對于通用電阻器而言并不重要。

但對于分流電阻，它需要非常低，因為由于電流較大，分流電阻的功耗可能會更大這會增加電阻溫度。 由于電阻溫度升高，電阻值可能會發(fā)生變化，并且可能會提供帶有錯誤的讀數。

溫度系數（TCR） 值取決于用作電阻元件的材料，取決于容差和額定功率以及電阻的物理尺寸。 由于使用金屬箔元件作為電阻材料，因此有多種分流電阻使用非常低的 TCR 值。

電流檢測電阻類型

電流檢測電阻的放置有兩種類型：高端放置和低端放置。

1、高端放置

在高端放置中，分流電阻放置在負載的高端（正軌）上。 這種高端放置廣泛使用，并且通常需要差分放大器來感測流過電阻的實際電流。

電流檢測電阻高端放置（雙擊可放大）

2、低端放置

在低端放置中，分流電阻放置在負載的低端（接地或負軌）上。 這種布局會抵消負載接地，并且通常難以確定負載的短路狀況。 分流電阻的放置和往常一樣，都會在分流電阻上產生電壓降，可用于感測流經負載和電阻的電流。

電流檢測電阻低端放置（雙擊可放大）

電流檢測電阻設計參考

1、直流電源

下圖是簡單電源中的電流檢測電路和浪涌電流保護電路。 在這些電路中，電流檢測電阻器放置在負載電流電源線上。 通過使用運算放大器或控制 IC 測量電流檢測電阻的電壓，即可測量電流。

電流檢測電路（負載側）

直流電源（負載側）電流檢測電路示例圖（雙擊可以放大）

浪涌電流保護電路

直流電源中的電流檢測電路（保護浪涌電流）（雙擊可以放大）

用途：各種直流電源電路。

2、DC-DC轉換器

例如下面的 DC-DC 轉換器，為了監(jiān)控輸出，電流檢測電阻放置在轉換器的外部。 為了最大限度地減少電阻器的功率損耗，使用了非常低電阻的電阻。

DC-DC 轉換器中的電流檢測電路示例（雙擊可放大）

3、電機驅動電路

在電機驅動電路中使用電流檢測電路有兩個目的，如下圖所示。 為了保護電路和檢測電機驅動電壓的相位。

為了節(jié)省空間，在相位檢測電路中使用了非常低電阻的分流電阻。

電機驅動電路（雙擊可放大）

4、基于 MPPT 的太陽能充電控制器電路選擇分流電阻

下面是一個為基于 MPPT 的太陽能充電控制器電路選擇分流電阻的示例，通過該電路充電的電池是負載。

負載使用分流電阻 R6 連接。 R6 將決定充電電流，這意味著此 R6 的電壓降在任何情況下都將保持恒定，因為 V = I x R。 R 將保持不變，V 保持不變，驅動器將改變充電電流。

要選擇分流電阻，需要考慮以下三個條件：

1、驅動器 IC LT3652 將使用的恒定電壓

2、需要通過電阻傳送到電池的最大充電電流。

3、由于它是充電控制，因此容差可能為 1%。

根據 LT3652 數據表，檢測引腳將使用 100 mV (0.1V) 的恒定檢測電壓。 此外，LT3652 支持的最大充電電流為 2A。 因此，分流電阻值需要為 R = V / I 或分流電阻值將是 0.1V / 2A = 0.05 歐姆或 50 毫歐。

該電阻的額定功率需要為 P = I 2 R 或 P = 2 2 x 0.05 = 0.2 W。 分流電阻的閉合值為 50 毫歐、1% 額定值、0.25 W。 但是，0.375W不是 0.25 W，是可以使用的安全電阻瓦數。

使用電流檢測電阻精確測量電流的設計技巧

1、選擇最佳歐姆值

選擇最佳歐姆值是一個平衡問題。 如果太高，則會浪費功率，產生過多的熱量，并失去電壓調節(jié)。 如果太低，則感應電壓將相應降低，因此噪聲和分辨率問題將限制準確測量。

2、選擇正確的額定功率

額定功率有時是 PCB 布局設計以及組件選擇的函數。

3、 選擇電阻技術

不同的應用需要不同的電阻技術。 許多電流檢測電阻屬于體金屬技術類別。 這意味著該元件是電阻金屬合金的自支撐件。

4、優(yōu)化 PCB 設計

電流檢測電阻周圍的 PCB 走線設計通常比普通電阻對性能更為關鍵。

5、管理熱量

無論你的設計是否需要電阻具有很高的額定值，還是需要比較小的溫升，都必須了解熱量將如何被移除以及熱量將流向何處。

6、允許電流浪涌

通常，設計必須適應高于需要精確測量的最大電流的中的高浪涌。

7、高溫降額

與任何電阻一樣，如果環(huán)境溫度高于額定溫度，則必須應用功率降額。

8、了解熱電動勢

當使用具有高散熱和低感應電壓的金屬元件分流時，可能需要考慮熱電電壓。

9、 減少歸納錯誤

高電流路徑和低信號電壓的組合使電流檢測電阻電路特別容易受到感應錯誤的影響。

10.、組合多個電阻

有時被迫使用多個并聯(lián)的電流檢測電阻，以滿足高功率或浪涌額定值，或者實現(xiàn)低于可用最小值的歐姆值。

審核編輯：湯梓紅

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