使用电流检测电阻精确测量电流的设计技巧

给大家分享关于电流检测电阻工作原理、电流检测电阻选择、电流检测电阻类型、电流检测电阻设计案例相关的知识。

什么是电流检测电阻？

在许多通用电子应用中，通常都需要电流感应来监控和控制应用。 例如：电池充电器电路需要电流感应技术从驱动器、控制器的角度确定充电电流。

不同类型的电流传感器具有不同的电流传感技术，用来测量或者检测电流。 电流检测最常用且最具成本效益的解决方案是分流电流传感器，也就是检测电阻。

电流检测电阻类似于普通电阻，但具有非常低的电阻额定值和高额定功率。 这些具有已知电阻值 (R) 的分流电阻放置在电流传导路径中，可以让要测量的全部电流 (I) 流过电阻。

电流检测电阻工作原理

分流意味着为电路提供不同的路径，电流检测电阻也是一样的，为电流从一个电路部分流向另一个电路的另一个部分，创建一个非常低的路径。 在这条路径上，每当电流通过低电阻区域时，无论电流量大小，都可以测量流过电路的电流量。

现在通过测量电阻两端的电压降 (V) ，使用简单的欧姆定律 (I=V/R)，我们可以计算流过电路的电流量。

V = I x R

其中 V 是分流电阻上出现的电压降，I 是电流流动速率，R 是分流电阻值，单位为欧姆。 因此，如果电阻是静态的，例如所有情况下为 1 ohm，则 V 取决于 I。

电流检测电阻选择-需要考虑哪些参数？

电流检测电阻是一种特殊类型的电阻。 它不同于电子电路中传统使用的电阻。 通用电阻用于非常低的工作电流，通常用于标准环境温度，例如 0-85 摄氏度。 但是，由于流过的电流很大，电流检测电阻的温度系数范围很广。

标准电阻和电流检测电阻之间的主要区别在于热电动势的温度系数。 在普通电阻中，热电动势被忽略，但在电流检测电阻中，根据温度，两种不同的导电材料会产生可变电压。

因此，元件材料电流检测电阻的选择很重要。 大多数时候，锰铜（-3.0 uV / o C 热电动势，具有出色的温度系数范围）用于制造外露刀片分流电阻。

下面是选择电流检测电阻需要注意的几个重要参数。

1、电流检测电阻--分流电阻的阻值和额定功率

电阻值是电流检测电阻的重要参数，该值将决定在电流流动期间电压会下降多少。

电路检测电阻值可以从电流检测放大器的角度来确定。 根据电流检测放大器的最大电流和最大输入电压，可以选择分流电阻的值。 但是，较大的值会影响分流电阻的额定功率并增加散热量。

电流检测电阻电路图（双击可放大）

上述电流检测电阻电路显示了如何将分流电阻放置在载流路径中，以及如何使用电流检测放大器计算电阻器两端的电压降。

分流电阻的功耗可以使用以下公式确定：

P = V x I

其中V是电压，I是电流。 由于可以使用欧姆定律确定分流电阻上的压降。 分流电阻的功耗可以通过以下方式确定：

P = I 2 R

因此，具有较小值的分流电阻器将产生较少的热量，并否决使用额外的散热器。

分流电阻值通常为毫欧额定值，通常是合适的，并且在大电流中产生的功率耗散较小。 电阻的瓦数会更低，尺寸会非常小，有助于更小的 PCB 面积。

但是，分流电阻的功耗也可以使用电阻器的PCR 值来确定。 PCR 代表电阻功率系数（ppm/W），表征不同阻值电阻的不同功耗值。

2、电流检测电阻-分流电阻容差

电子产品中没有什么是理想的，分流电阻也不例外。 因此，分流电阻的容差是影响分流电阻传感精度的重要参数。 普通通用电阻的容差为 10%、5% 甚至 1%。 因此，额定值为 10 欧姆且容差为 10% 的电阻将具有从 9 欧姆到 11 欧姆的值。 在正常操作期间，由于环境温度和其他附加依赖性，该值会发生变化。

然而，在大多数应用中，电阻容差并不重要，但对于应用输出高度依赖于感测值的应用，容差成为需要考虑的关键参数。

分流电阻容差范围从 1% 到 0.1%，但是，需要多少精度完全取决于应用要求，需要根据此参数选择电阻。

3、电流检测电阻-分流电阻的温度系数

电阻的 TCR 或温度系数 (ppm / °C ) 是决定电阻温度变化会改变多少电阻的参数。 温度系数是分流电阻应用中的一个重要参数，对于通用电阻器而言并不重要。

但对于分流电阻，它需要非常低，因为由于电流较大，分流电阻的功耗可能会更大这会增加电阻温度。 由于电阻温度升高，电阻值可能会发生变化，并且可能会提供带有错误的读数。

温度系数（TCR） 值取决于用作电阻元件的材料，取决于容差和额定功率以及电阻的物理尺寸。 由于使用金属箔元件作为电阻材料，因此有多种分流电阻使用非常低的 TCR 值。

电流检测电阻类型

电流检测电阻的放置有两种类型：高端放置和低端放置。

1、高端放置

在高端放置中，分流电阻放置在负载的高端（正轨）上。 这种高端放置广泛使用，并且通常需要差分放大器来感测流过电阻的实际电流。

电流检测电阻高端放置（双击可放大）

2、低端放置

在低端放置中，分流电阻放置在负载的低端（接地或负轨）上。 这种布局会抵消负载接地，并且通常难以确定负载的短路状况。 分流电阻的放置和往常一样，都会在分流电阻上产生电压降，可用于感测流经负载和电阻的电流。

电流检测电阻低端放置（双击可放大）

电流检测电阻设计参考

1、直流电源

下图是简单电源中的电流检测电路和浪涌电流保护电路。 在这些电路中，电流检测电阻器放置在负载电流电源线上。 通过使用运算放大器或控制 IC 测量电流检测电阻的电压，即可测量电流。

电流检测电路（负载侧）

直流电源（负载侧）电流检测电路示例图（双击可以放大）

浪涌电流保护电路

直流电源中的电流检测电路（保护浪涌电流）（双击可以放大）

用途：各种直流电源电路。

2、DC-DC转换器

例如下面的 DC-DC 转换器，为了监控输出，电流检测电阻放置在转换器的外部。 为了最大限度地减少电阻器的功率损耗，使用了非常低电阻的电阻。

DC-DC 转换器中的电流检测电路示例（双击可放大）

3、电机驱动电路

在电机驱动电路中使用电流检测电路有两个目的，如下图所示。 为了保护电路和检测电机驱动电压的相位。

为了节省空间，在相位检测电路中使用了非常低电阻的分流电阻。

电机驱动电路（双击可放大）

4、基于 MPPT 的太阳能充电控制器电路选择分流电阻

下面是一个为基于 MPPT 的太阳能充电控制器电路选择分流电阻的示例，通过该电路充电的电池是负载。

负载使用分流电阻 R6 连接。 R6 将决定充电电流，这意味着此 R6 的电压降在任何情况下都将保持恒定，因为 V = I x R。 R 将保持不变，V 保持不变，驱动器将改变充电电流。

要选择分流电阻，需要考虑以下三个条件：

1、驱动器 IC LT3652 将使用的恒定电压

2、需要通过电阻传送到电池的最大充电电流。

3、由于它是充电控制，因此容差可能为 1%。

根据 LT3652 数据表，检测引脚将使用 100 mV (0.1V) 的恒定检测电压。 此外，LT3652 支持的最大充电电流为 2A。 因此，分流电阻值需要为 R = V / I 或分流电阻值将是 0.1V / 2A = 0.05 欧姆或 50 毫欧。

该电阻的额定功率需要为 P = I 2 R 或 P = 2 2 x 0.05 = 0.2 W。 分流电阻的闭合值为 50 毫欧、1% 额定值、0.25 W。 但是，0.375W不是 0.25 W，是可以使用的安全电阻瓦数。

使用电流检测电阻精确测量电流的设计技巧

1、选择最佳欧姆值

选择最佳欧姆值是一个平衡问题。 如果太高，则会浪费功率，产生过多的热量，并失去电压调节。 如果太低，则感应电压将相应降低，因此噪声和分辨率问题将限制准确测量。

2、选择正确的额定功率

额定功率有时是 PCB 布局设计以及组件选择的函数。

3、 选择电阻技术

不同的应用需要不同的电阻技术。 许多电流检测电阻属于体金属技术类别。 这意味着该元件是电阻金属合金的自支撑件。

4、优化 PCB 设计

电流检测电阻周围的 PCB 走线设计通常比普通电阻对性能更为关键。

5、管理热量

无论你的设计是否需要电阻具有很高的额定值，还是需要比较小的温升，都必须了解热量将如何被移除以及热量将流向何处。

6、允许电流浪涌

通常，设计必须适应高于需要精确测量的最大电流的中的高浪涌。

7、高温降额

与任何电阻一样，如果环境温度高于额定温度，则必须应用功率降额。

8、了解热电动势

当使用具有高散热和低感应电压的金属元件分流时，可能需要考虑热电电压。

9、 减少归纳错误

高电流路径和低信号电压的组合使电流检测电阻电路特别容易受到感应错误的影响。

10.、组合多个电阻

有时被迫使用多个并联的电流检测电阻，以满足高功率或浪涌额定值，或者实现低于可用最小值的欧姆值。

审核编辑：汤梓红