簡(jiǎn)介
電流檢測(cè)電阻有多種形狀和尺寸可供選擇,，用于測(cè)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(shí),，焊料的電阻將在檢測(cè)元件電阻中占據(jù)很大比例,，結(jié)果大幅增加測(cè)量誤差,。高精度應(yīng)用通常使用4引腳電阻和開爾文檢測(cè)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(cè)量大電流時(shí),，電阻焊盤的尺寸和設(shè)計(jì)在確定檢測(cè)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(cè)電阻（4焊盤布局）以實(shí)現(xiàn)高精度開爾文檢測(cè),。圖1所示為用于確定五種不同布局所致誤差的測(cè)試板,。
圖1. 檢測(cè)電阻布局測(cè)試PCB板。
電流檢測(cè)電阻
采用2512封裝的常用電流檢測(cè)電阻的電阻值最低可達(dá)0.5 mΩ,，其最大功耗可能達(dá)3 W,。為了展現(xiàn)最差條件下的誤差，這些試驗(yàn)采用一個(gè)0.5 mΩ,、3 W電阻,，其容差為1%（型號(hào)：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(duì)于開爾文檢測(cè)，必須將標(biāo)準(zhǔn)雙線封裝焊盤進(jìn)行拆分,，以便為系統(tǒng)電流和檢測(cè)電流提供獨(dú)立的路徑,。圖3顯示了此類布局的一個(gè)例子。系統(tǒng)電流用紅色箭頭表示的路徑,。如果使用一種簡(jiǎn)單的雙焊盤布局,，則總電阻為：
為了避免增加電阻，需要把電壓檢測(cè)走線正確的布局到檢測(cè)電阻焊盤處,。系統(tǒng)電流將在上部焊點(diǎn)導(dǎo)致顯著的壓降,，但檢測(cè)電流則會(huì)在下部焊點(diǎn)導(dǎo)致可以忽略不計(jì)的壓降?？梢?，這種焊盤分離方案可以消除測(cè)量中的焊點(diǎn)電阻，從而提高系統(tǒng)的總體精度,。
圖3. 開爾文檢測(cè),。
優(yōu)化開爾文封裝
圖3所示布局是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)雙焊盤方案的一種顯著的改進(jìn)，但是,，在使用極低值電阻（0.5 mΩ或以下）時(shí),，焊盤上檢測(cè)點(diǎn)的物理位置以及流經(jīng)電阻的電流對(duì)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(huì)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(cè)布局,。
測(cè)試PCB板
圖4展示在測(cè)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(cè)焊盤延伸的不同位置的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)4線電阻（見圖2(b)）,。檢測(cè)點(diǎn)對(duì) (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(cè)點(diǎn)位于焊盤中心和末端。
- 3.利用焊盤兩側(cè)以提供更對(duì)稱的系統(tǒng)電流通路,。同時(shí)把檢測(cè)點(diǎn)移動(dòng)到更中心的位置,。檢測(cè)點(diǎn)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(diǎn)接合,。只使用了外部檢測(cè)點(diǎn)。
- 5.A和B的混合體,。系統(tǒng)電流流過較寬的焊盤,，檢測(cè)電流流過較小的焊盤。檢測(cè)點(diǎn)位于焊盤的外緣和內(nèi)緣,。
圖4. 測(cè)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(cè)試步驟
測(cè)試設(shè)計(jì)如圖5所示。使20 A的校準(zhǔn)電流通過各個(gè)電阻,，同時(shí)使電阻保持在25°C,。在加載電流后1秒內(nèi)，測(cè)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(jiān)控各個(gè)電阻的溫度，以確保測(cè)試結(jié)果均在25°C下測(cè)得,。電流為20 A時(shí),，通過0.5 mΩ電阻的理想壓降為10 mV。
圖5. 測(cè)試設(shè)置,。
測(cè)試結(jié)果
表1列出了采用圖4所示檢測(cè)焊盤位置測(cè)得的數(shù)據(jù),。
表1. 測(cè)得電壓和誤差
|
封裝 |
檢測(cè)焊盤 |
測(cè)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(cè),。對(duì)通過高電流主焊盤的電壓進(jìn)行測(cè)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?yàn)樗淮罂赡軐?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(cè)點(diǎn)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(jì)的,。
- 3.請(qǐng)注意,，在未使用開爾文檢測(cè)時(shí)，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(duì)稱焊盤布局的效應(yīng)?；亓髌陂g,，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(cè)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(cè)走線的布局也會(huì)影響測(cè)量精度,。為了實(shí)現(xiàn)最高精度,，應(yīng)在電阻邊緣測(cè)量檢測(cè)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(xiàng)SMT制造要求。對(duì)于因使用本封裝而可能導(dǎo)致的任何問題,，ADI概不負(fù)責(zé),。