使用电阻器进行电流检测不只是欧姆定律

通过测量电阻两端的电压来感测电流既简单又优雅,但电气接口,尺寸和选择以及热/机械方面的考虑会引起问题。测量动态电流一直是管理系统性能的重要参数,随着设备和系统更智能的管理功能的普及,测量动态电流变得尤为重要。准确进行测量的常见方法是使用与负载串联插入的已知值的检测电阻,然后测量该电阻两端的IR压降。通过应用欧姆定律,确定电流很简单-或至少看起来是这样。但使用电阻器进行电流检测不只是欧姆定律。

尽管使用电阻器是进行此类检测的有效且直接的基础,但尽管其清晰明了,但它也存在许多设计问题和细微之处。这些涉及电接口,电阻器的尺寸和选择以及许多机械方面的考虑:

电气接口

您采用高端还是低端感应?在低侧检测中,电阻器放置在负载与“地”(或在许多情况下为“公共”电路)之间,这使电压检测电路也可以直接接地。尽管此拓扑中的组件不会遇到任何高压问题,但出于两个原因,这通常是不希望的,甚至是不可接受的。

使用电阻器进行电流检测不只是欧姆定律

1.低端检测将电阻放置在负载和公共端之间;它简化了电压读取模拟前端的接口,但带来了负载完整性和控制方面的问题。

首先,这样做意味着负载本身没有接地,这在许多安装中由于机械原因是不切实际的。例如,在汽车中安装不接地的起动马达并使之与底盘绝缘是设计和安装方面的挑战。它还要求使用返回导线,该导线可以将负载电流带回源极,而不是使用机架。其次,即使不考虑布线和安装,在负载和地面之间(公共)之间放置任何电阻也会对控制回路的动态和控制产生负面影响。

2.尽管高端感测带来了新的共模电压问题,但它是更常用的方法。

解决方案是使用高端感应,将电阻器放置在电源轨和负载之间。这样就消除了由于负载不接地而产生的问题,但是出现了一个新问题。现在,检测该电阻两端电压的电路无法接地,这意味着使用了差分或仪表放大器。该放大器的共模电压(CMV)额定值必须高于电源电压。通常,如果干线电压高于标准IC的CMV额定值(通常约为100 V),则需要更复杂的方法来提供此接口。

一种替代方法是使用接口电路,该接口电路包括在传感放大器输入和输出之间的电流隔离(图3)。这意味着两个模拟部分之间不存在欧姆路径,除了内部隔离之外,它看起来像一个非隔离的放大器。

3.电流隔离可以通过多种方式实现。不管使用哪种方法,结果都是信号信息通过屏障传递,而输入和输出之间没有任何欧姆路径。

该方法还具有其他有益的功能:通过消除接地环路和相关问题,大大提高了系统性能;简化了后续电路,并简化或消除了与安全相关的布局以及对电气间隙和爬电距离的要求;在高压和系统的其余部分之间增加了电气安全屏障;并在许多应用中受到安全和法规标准的强制要求。

可以使用全模拟隔离放大器来实现隔离。或者,也可以是一个子电路,该子电路由一个非隔离放大器,一个模数转换器和一个隔离器(可能使用光,电容,磁原理)组成,所有这些电路均由独立于主电源的隔离电源供电。使用(图4)。无论选择哪种隔离解决方案,用于更高轨电压的电压检测电路在BOM和布局方面都会变得复杂,但是通常没有其他实用的选择。

4.有时使用隔离的前端(放大器,ADC,隔离器)和隔离的电源在数字域中实现隔离。该AD7401A将所有所需的功能放在一个封装中。(由ADI公司提供)

电阻大小和选择

理想情况下,感测电阻器的值应相对较大,以使所得的压降也较大,从而较大程度地减小电路和系统噪声对感测电压的影响,并较大程度地提高其动态范围。但是,在给定电流下,较大的值也意味着由于IR下降以及I 2 R电阻器自发热,浪费的功率和增加的热负载,导致负载的电压更低,因此可用功率更少。显然,这是一个折衷和妥协的局面。

在实践中,通常希望将感测电阻器两端的*大电压保持在100 mV或更低,以便相应的电阻器值在数十毫欧范围内甚至更低(光颉毫欧电阻)。在这些较小的值范围内,可以广泛使用检测电阻。标准产品目录中甚至包括1mΩ及更低的电阻(图5)。在这些低值下,即使是感应电路的欧姆接触的电阻也是计算中的一个因素。

5.该0.2mΩ电流检测电阻可处理200 A电流,可消耗15 W功率。其尺寸为15×7.75×1.4 mm,特殊合金结构的TCR为±100 ppm /°C。(图片来源:TT Electronics)

电阻器选择的两难选择并不在于确定一个平衡电压和功率损耗与读出范围之间的权衡值的值。首先,电阻器的耗散会产生自发热,这意味着所选电阻器类型必须具有合适的额定功率,并且必须在较高温度下降额使用。

同样,任何自热都会导致电阻器偏离其标称值。它的漂移量取决于检测电阻的材料和结构。标准片式电阻器的电阻温度系数(TCR)约为±500 ppm /°C(等于0.05%/°C),而采用特殊材料和构造技术制造的标准感测电阻器的TCR则为±100 ppm /℃,低至约±20ppm /℃。甚至提供低至±1 ppm /°C的精度性能单元(价格要高得多)。

请注意,使用一小段铜线或PC板走线似乎是一种以接近零的成本获得毫欧值的感测电阻器的好方法。但是,铜的TCR约为4000 ppm /°C(0.4%/°C),比低TCR感测电阻器低几个数量级。

在某些情况下,减少由于自热引起的温度升高的可行策略是使用较大的瓦数,该瓦数较少受到自热的影响。但是这些也具有较高的组件成本和较大的占地面积。设计人员必须仔细分析电流,耗散,TCR的影响以及长期可靠性和性能所需的任何降额

机械方面的考虑

在非常低的电流水平下,电流检测电阻的物理尺寸与其他电阻大致相同。但是,随着功率额定值的增加,物理上需要更大的电阻器,并且这将对PC板的布局(假设电阻器安装在板上)以及电阻器及其周围环境的热状况都产生影响。

对于更高额定值的电阻器,放置和安装成为一个严重的问题。可能无法选择PC板表面安装;房地产和热力问题显着增加。较大的设备甚至可能需要安装支架或压紧装置,以将运动和振动影响保持在可接受的*低水平。

同样,也不应该忽略进行“简单”电气连接的困难。当电线承载数十甚至数百安培的电流时,这些电线与电阻器端子之间的连接需要仔细规划,并且表面更大,更坚固,当然其中可能包括螺钉和夹具。试想一下典型的内燃机汽车电池,它必须使用适度的12 V电池提供100 A以上的电流才能启动汽车。在没有足够的电压裕量的情况下,即使电池加上端子的100mΩ接触电阻也转化为1.2 V的电源损耗。

另外,即使感测到的电压很低,共模电压也可能不低,并且连接处可能正在承载大电流。结果,存在一些安全和访问问题,这些问题将影响电缆,路由,可能的短路和可访问性。此外,设计人员必须计划在何处以及如何将相对较细的电压感应线连接到也承载较高负载电流的触点。感测线触点的电阻看起来像是感测电阻器本身一部分的电阻,因此I = V / R计算需要考虑该额外电阻。甚至在高精度情况下,任何联系人的TCR也会成为问题。

使用电阻器进行电流感测是一个很有教育意义的示例,它说明了从原理上非常简单的解决方案到可以在应用程序的预期工作条件范围内正常工作,有效运行的解决方案所面临的挑战。幸运的是,它也是一种被广泛使用的解决方案,因此可以利用电阻器供应商或高电流感测*家的应用工程师的经验来解决许多问题。

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