簡(jiǎn)介
電流檢測電阻有多種形狀和尺寸可供選擇，用于測量諸多汽車(chē)、功率控制和工業(yè)系統中的電流。使用極低值電阻（幾mΩ或以下）時(shí)，焊料的電阻將在檢測元件電阻中占據很大比例，結果大幅增加測量誤差。高精度應用通常使用4引腳電阻和開(kāi)爾文檢測技術(shù)以減少這種誤差，但是這些專(zhuān)用電阻卻可能十分昂貴。另外，在測量大電流時(shí)，電阻焊盤(pán)的尺寸和設計在確定檢測精度方面起著(zhù)關(guān)鍵作用。本文將描述一種替代方案，該方案采用一種標準的低成本雙焊盤(pán)檢測電阻（4焊盤(pán)布局）以實(shí)現高精度開(kāi)爾文檢測。圖1所示為用于確定五種不同布局所致誤差的測試板。
圖1. 檢測電阻布局測試PCB板。
電流檢測電阻
采用2512封裝的常用電流檢測電阻的電阻值最低可達0.5 mΩ，其最大功耗可能達3 W.為了展現最差條件下的誤差，這些試驗采用一個(gè)0.5 mΩ、3 W電阻，其容差為1%（型號：ULRG3-2512-0M50-FLFSLT制造商：Welwyn/TTelectronics）其尺寸和標準4線(xiàn)封裝如圖2所示。
圖2. （a） ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻的外形尺寸；（b） 標準4焊盤(pán)封裝。
傳統封裝
對于開(kāi)爾文檢測，必須將標準雙線(xiàn)封裝焊盤(pán)進(jìn)行拆分，以便為系統電流和檢測電流提供獨立的路徑。圖3顯示了此類(lèi)布局的一個(gè)例子。系統電流用紅色箭頭表示的路徑。如果使用一種簡(jiǎn)單的雙焊盤(pán)布局，則總電阻為：
為了避免增加電阻，需要把電壓檢測走線(xiàn)正確的布局到檢測電阻焊盤(pán)處。系統電流將在上部焊點(diǎn)導致顯著(zhù)的壓降，但檢測電流則會(huì )在下部焊點(diǎn)導致可以忽略不計的壓降�？梢�(jiàn)，這種焊盤(pán)分離方案可以消除測量中的焊點(diǎn)電阻，從而提高系統的總體精度。
圖3. 開(kāi)爾文檢測。
優(yōu)化開(kāi)爾文封裝
圖3所示布局是對標準雙焊盤(pán)方案的一種顯著(zhù)的改進(jìn)，但是，在使用極低值電阻（0.5 mΩ或以下）時(shí)，焊盤(pán)上檢測點(diǎn)的物理位置以及流經(jīng)電阻的電流對稱(chēng)性的影響將變得更加顯著(zhù)。例如，ULRG3-2512-0M50-FLFSL是一款固態(tài)金屬合金電阻，因此，電阻沿著(zhù)焊盤(pán)每延伸一毫米，結果都會(huì )影響有效電阻。使用校準電流，通過(guò)比較五種定制封裝下的壓降，可以確定最佳檢測布局。
測試PCB板
圖4展示在測試PCB板上構建的五種布局模式，分別標記為A到E.我們盡可能把走線(xiàn)布局到沿著(zhù)檢測焊盤(pán)延伸的不同位置的測試點(diǎn)，表示為圖中的彩點(diǎn)。各個(gè)電阻封裝為：
1.基于2512建議封裝的標準4線(xiàn)電阻（見(jiàn)圖2（b））。檢測點(diǎn)對 （X and Y）位于焊盤(pán)外緣和內緣（x軸）。
2.類(lèi)似于A(yíng),但焊盤(pán)向內延伸較長(cháng)，以便更好地覆蓋焊盤(pán)區（見(jiàn)圖2（a））。檢測點(diǎn)位于焊盤(pán)中心和末端。
3.利用焊盤(pán)兩側以提供更對稱(chēng)的系統電流通路。同時(shí)把檢測點(diǎn)移動(dòng)到更中心的位置。檢測點(diǎn)位于焊盤(pán)中心和末端。
4.與C類(lèi)似，只是系統電流焊盤(pán)在最靠里的點(diǎn)接合。只使用了外部檢測點(diǎn)。
5.A和B的混合體。系統電流流過(guò)較寬的焊盤(pán)，檢測電流流過(guò)較小的焊盤(pán)。檢測點(diǎn)位于焊盤(pán)的外緣和內緣。
圖4. 測試PCB板的布局。
在模板上涂抹焊料，并在回流爐中使用回流焊接。使用的是ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻。
測試步驟
測試設計如圖5所示。使20 A的校準電流通過(guò)各個(gè)電阻，同時(shí)使電阻保持在25°C.在加載電流后1秒內，測量產(chǎn)生的差分電壓，以防止電阻溫度升高1°C以上。同時(shí)監控各個(gè)電阻的溫度，以確保測試結果均在25°C下測得。電流為20 A時(shí)，通過(guò)0.5 mΩ電阻的理想壓降為10 mV.
圖5. 測試設置。
測試結果
表1列出了采用圖4所示檢測焊盤(pán)位置測得的數據。
表1. 測得電壓和誤差
*無(wú)開(kāi)爾文檢測。對通過(guò)高電流主焊盤(pán)的電壓進(jìn)行測量，以展示與焊料電阻相關(guān)的誤差。
觀(guān)察結果
1.由于結果的可比較性以及各電阻偏差都在容限范圍之內，所以得出封裝C和D的誤差最少，.封裝C為首選封裝，因為它不大可能導致與元件放置容限相關(guān)的問(wèn)題。
2.在每一種情況下，電阻外端的檢測點(diǎn)提供的結果最準確。這表明，這些電阻是制造商根據電阻的總長(cháng)度設計的。
3.請注意，在未使用開(kāi)爾文檢測時(shí)，焊料電阻相關(guān)誤差是22%.這相當于約0.144 mΩ的焊料電阻。
4.封裝E展示了不對稱(chēng)焊盤(pán)布局的效應�；亓髌陂g，元件通過(guò)大量焊料才能焊盤(pán)。應避免這種封裝。
結論
根據前面所示結果，最佳封裝是C,其預期測量誤差小于1%.該封裝的建議尺寸如圖6所示。
圖6. 最佳封裝尺寸。
檢測走線(xiàn)的布局也會(huì )影響測量精度。為了實(shí)現最高精度，應在電阻邊緣測量檢測電壓。圖7所示建議布局采用通孔，把焊盤(pán)外邊緣布局到另一層，從而避免切割主電源層。
圖7. 建議PCB走線(xiàn)路由。
本文中的數據可能并不適用于所有電阻，而且結果可能因情況而異，具體取決于電阻的材質(zhì)和尺寸。應該咨詢(xún)電阻制造商。用戶(hù)有責任確保封裝的布局尺寸和結構均符合各項SMT制造要求。對于因使用本封裝而可能導致的任何問(wèn)題，ADI概不負責。 |
