簡介
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、功率控制和工業(yè)系統(tǒng)中的電流。使用極低值電阻（幾mΩ或以下）時，焊料的電阻將在檢測元件電阻中占據(jù)很大比例，結(jié)果大幅增加測量誤差。高精度應(yīng)用通常使用4引腳電阻和開爾文檢測技術(shù)以減少這種誤差，但是這些專用電阻卻可能十分昂貴。另外，在測量大電流時，電阻焊盤的尺寸和設(shè)計在確定檢測精度方面起著關(guān)鍵作用。本文將描述一種替代方案，該方案采用一種標(biāo)準(zhǔn)的低成本雙焊盤檢測電阻（4焊盤布局）以實現(xiàn)高精度開爾文檢測。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(xiàn)最差條件下的誤差，這些試驗采用一個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(biāo)準(zhǔn)4線封裝如圖2所示。
圖2. (a) ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻的外形尺寸；(b) 標(biāo)準(zhǔn)4焊盤封裝。
傳統(tǒng)封裝
對于開爾文檢測，必須將標(biāo)準(zhǔn)雙線封裝焊盤進行拆分，以便為系統(tǒng)電流和檢測電流提供獨立的路徑。圖3顯示了此類布局的一個例子。系統(tǒng)電流用紅色箭頭表示的路徑。如果使用一種簡單的雙焊盤布局，則總電阻為：
為了避免增加電阻，需要把電壓檢測走線正確的布局到檢測電阻焊盤處。系統(tǒng)電流將在上部焊點導(dǎo)致顯著的壓降，但檢測電流則會在下部焊點導(dǎo)致可以忽略不計的壓降?？梢?，這種焊盤分離方案可以消除測量中的焊點電阻，從而提高系統(tǒng)的總體精度。
圖3. 開爾文檢測。
優(yōu)化開爾文封裝
圖3所示布局是對標(biāo)準(zhǔn)雙焊盤方案的一種顯著的改進，但是，在使用極低值電阻（0.5 mΩ或以下）時，焊盤上檢測點的物理位置以及流經(jīng)電阻的電流對稱性的影響將變得更加顯著。例如，ULRG3-2512-0M50-FLFSL是一款固態(tài)金屬合金電阻，因此，電阻沿著焊盤每延伸一毫米，結(jié)果都會影響有效電阻。使用校準(zhǔn)電流，通過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(gòu)建的五種布局模式，分別標(biāo)記為A到E。我們盡可能把走線布局到沿著檢測焊盤延伸的不同位置的測試點，表示為圖中的彩點。各個電阻封裝為：
- 1.基于2512建議封裝的標(biāo)準(zhǔn)4線電阻（見圖2(b)）。檢測點對 (X and Y)位于焊盤外緣和內(nèi)緣（x軸）。
- 2.類似于A，但焊盤向內(nèi)延伸較長，以便更好地覆蓋焊盤區(qū)（見圖2(a)）。檢測點位于焊盤中心和末端。
- 3.利用焊盤兩側(cè)以提供更對稱的系統(tǒng)電流通路。同時把檢測點移動到更中心的位置。檢測點位于焊盤中心和末端。
- 4.與C類似，只是系統(tǒng)電流焊盤在最靠里的點接合。只使用了外部檢測點。
- 5.A和B的混合體。系統(tǒng)電流流過較寬的焊盤，檢測電流流過較小的焊盤。檢測點位于焊盤的外緣和內(nèi)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(shè)計如圖5所示。使20 A的校準(zhǔn)電流通過各個電阻，同時使電阻保持在25°C。在加載電流后1秒內(nèi)，測量產(chǎn)生的差分電壓，以防止電阻溫度升高1°C以上。同時監(jiān)控各個電阻的溫度，以確保測試結(jié)果均在25°C下測得。電流為20 A時，通過0.5 mΩ電阻的理想壓降為10 mV。
圖5. 測試設(shè)置。
測試結(jié)果
表1列出了采用圖4所示檢測焊盤位置測得的數(shù)據(jù)。
表1. 測得電壓和誤差
|
封裝 |
檢測焊盤 |
測得值(mV) |
誤差(%) |
|
A |
Y |
9.55 |
4.5 |
|
|
X |
9.68 |
3.2 |
|
B |
Y |
9.50 |
5 |
|
|
X |
9.55 |
4.5 |
|
C |
Y |
9.80 |
2 |
|
|
X |
9.90 |
1 |
|
D |
X |
10.06 |
0.6 |
|
E |
Y |
9.59 |
4.1 |
|
|
X |
9.60 |
4 |
|
|
Top pad* |
12.28 |
22.8 |
*無開爾文檢測。對通過高電流主焊盤的電壓進行測量，以展示與焊料電阻相關(guān)的誤差。
觀察結(jié)果
- 1.由于結(jié)果的可比較性以及各電阻偏差都在容限范圍之內(nèi)，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(dǎo)致與元件放置容限相關(guān)的問題。
- 2.在每一種情況下，電阻外端的檢測點提供的結(jié)果最準(zhǔn)確。這表明，這些電阻是制造商根據(jù)電阻的總長度設(shè)計的。
- 3.請注意，在未使用開爾文檢測時，焊料電阻相關(guān)誤差是22%。這相當(dāng)于約0.144 mΩ的焊料電阻。
- 4.封裝E展示了不對稱焊盤布局的效應(yīng)。回流期間，元件通過大量焊料才能焊盤。應(yīng)避免這種封裝。
結(jié)論
根據(jù)前面所示結(jié)果，最佳封裝是C，其預(yù)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。
檢測走線的布局也會影響測量精度。為了實現(xiàn)最高精度，應(yīng)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走線路由。
本文中的數(shù)據(jù)可能并不適用于所有電阻，而且結(jié)果可能因情況而異，具體取決于電阻的材質(zhì)和尺寸。應(yīng)該咨詢電阻制造商。用戶有責(zé)任確保封裝的布局尺寸和結(jié)構(gòu)均符合各項SMT制造要求。對于因使用本封裝而可能導(dǎo)致的任何問題，ADI概不負責(zé)。