电流检测电阻器如何实现精确的功率测量和管理

对更高能效和更好电源管理的持续需求意味着要有精确的电流测量。这种需求横跨各种工业和消费应用以及电力电子产品，包括电池管理系统 (BMS)、开关模式电源 (SMPS) 和电机驱动器。

虽然有多种通过测量电流确定功率的方法，但采用电流检测电阻器（通常称为分流电阻器）和差分放大器是技术上最合适、最具性价比的解决方案之一。

电流检测电阻器不仅仅是一个具有所需数值的 “电阻器”。为实现精确检测，该电阻器必须具有较高的绝对精度、可以保证可靠性的出色耗散性能，在自发热和环境温度变化时仍能保持稳定的温度变化，并将热电接触效应降至最低。

要确定检测电阻器的大小，首先要假定电流检测电阻器在满载电流时两端可接受的最大压降 (V = IR)，从而确定合适的电阻值。我们最好将该电压降的最大标称值设置为 100 mV，这通常是动态范围、灵敏度、噪声、电流阻抗以及耗散造成的功率浪费等因素之间的一个良好折衷。

然后，求出流经电阻器的最大电流，计算其最大值，其中 R = V/I。在许多情况下，该值为 1 mΩ 或更小。利用选定的电阻值和最大电流，可通过公式 I²R 计算出电阻器所需的额定耗散值。

连接拓扑至关重要

同样重要的是，物理检测布局必须能最大限度地减少电压测量误差。由于极低的电阻值和电压降，因此电流连接、传感器导线和检测电阻器之间的接触电阻等细微差别成为重要的考虑因素。

在基本的两线式电压检测装置中，电阻器上的电流通路接触点和电阻器上的电压连接点是相同的点（图 1，左）。

图 1：两线式传感（左）和四线式 Kelvin 检测（右）在电流和电压接触点的物理连接上存在微小但明显的差异；后者可最大限度地减少导线损耗造成的误差。（图片来源：维基百科，经作者修改）

不过，电阻器两端的电压水平较低时，明显的双线布局可能会影响测量精度。为了克服两线式检测连接引起的相对较小但却很重要的误差，通常使用四线 Kelvin 检测连接（图 1，右）。

在这种拓扑结构中，电流和电压检测连接是独立的接触点。虽然在电气连接图上看似相同，但实际却大相径庭。

通过将电流触点、路径与电压检测点分开，四线检测可确保导线和电流触点之间的电压降不会影响测量精度。在进行精确读数时，当检测电阻值与用于所测量的引线电阻值大致相同时，这个问题尤为突出。

四线检测将电压测量点移到目标阻抗附近，从而绕过了大电流通路中可能出现的压降，从而大大减缓了这一问题。

正确的电阻技术也很重要

除了具有 1 mΩ 或更小的低阻值外，检测电阻器还必须具有较低的电阻温度系数 (TCR)，以防止因环境温度变化和 I²R 引起的自发热而产生漂移。因此，这些电阻器的设计、材料和制造都高度专业化。

借助 Bourns 的 CSI 系列金属片分流电阻器，设计人员可满足这些要求。该系列电阻器的阻值范围宽，小至 0.2 mΩ，功率耗散额定值最高可达 15 W（连续）。

这些电阻器采用电子束焊接 (EBW) 电阻材料和铜合金制造，有两端子和四端子选择。双端子型号有三种封装尺寸：5930、3920 和 2512。四端子器件用于更精确的四线 Kelvin 电阻测量，封装尺寸为 4026。

其独特的金属合金电流检测元件专为分流电阻器设计，具有低热电动势 (EMF) 和在 +20°C 至 +60°C 温度范围内低至 ±50ppm/°C 的 TCR。

请注意，这些电阻器在制造时采用了一些与直觉相反的材料科学原理。在任何低 TCR 元件中，通常都不会使用高 TCR 铜（约 3900 ppm/°C）。然而，铜也具有出色的导热率，因此我们在电阻器设计中精心加入了铜，以提高其功率处理性能。

CSI 系列中具有代表性的两线电阻器是 CSI2H-2512R-1L00J（图 2），这是一款 1 mΩ 的 5 W 电阻器，公差为 ±5%，TCR 为 ±75 ppm/°C。其他型号的容差更小，为 ±2% 甚至 1%。

图 2：CSI2H-2512R-1L00J 是一个 1 mΩ、5 W 电阻器，用于双线式检测。（图片源：Bourns）

该电阻器采用 Bourns 的 R 型材料制造，其自感不到 2 nH。自感是一个基本参数，但经常被忽视，如果电阻器处于高速开关电路中，自感就会成为问题。

如果需要四线 Kelvin 检测，CSI4J-4026R-1L00F 电流检测电阻器是一个额定功率为 8 W 的 1 mΩ 元件（图 3）。这个 ±1% 电阻器（也有 2% 和 5% 版本）的 TCR 为 ±75 ppm/°C。自感低于 3 nH。请注意不同的触点配置；其设计旨在实现四线制功能。

图 3：1 mΩ CSI4J-4026R-1L00F 具有额外的分离连接点，专为四线 Kelvin 电流检测而设计。（图片源：Bourns）

由于 TCR 对检测电阻器精度的影响，这些元件的数据表中包含多张图表，显示了电阻在 25°C 时的性能变化。

结束语

检测电阻器看似简单的元件，但需要深入研究。考虑到检测电阻器在其应用领域中的作用和需要提供的功能，您会发现这些器件有一些微妙之处和需要考虑的因素，只有经验丰富、拥有材料专业知识和制造技术的供应商才能满足这些要求，而所有这些都需要基于详细的数据表。

参考文献

1：Maxim/Analog Devices，应用说明 5761，“Kelvin 勋爵的检测方法在超精密分流监控器/电流检测放大器的测量精度中仍在发挥作用”。