【经验】以CSM系列的204为例说明采样电阻影响电流测量精度的因素

时间： 2020-02-24 来源：世强

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电流监测在硬件电路设计中是经常会用到的，除了一些专用的电流采样芯片，更常用的则是通过采样电阻将电流转换为电压，再送到后级的信号处理电路进行处理以得到被测电流值供系统使用。

那么，用采样电阻构成的电流测量电路中，电流采样的精度会受到电阻哪些因素的影响呢？本文通过电阻关键参数的计算分析了它们对电流测量精度的影响。

这里我们以FIRSTOHM的CSM系列的204为例，选择一个10mΩ、精度5%、温度系数300PPM、功率1/4W的电阻，被测电流为5A进行计算和分析。帮助大家在对此类采样电阻进行选型时做参考。

因素一：电阻精度

电阻阻值为10mΩ，精度为±5%，即电阻实际阻值范围为9.5mΩ~10.5mΩ，当5A的电流流过电阻时，产生的电压范围是47.5mV~50.5mV，再通过ADC采样计算（假设ADC采样没有产生额外误差），我们得到的电流值范围是4.75A~5.25A，也就是会有±0.25A的误差。

因素二：电阻温度系数

选择的电阻温度系数为±300PPM，我们按照工业级的环境温度范围-40~+85℃进行计算。±300PPM也就是±0.0003，环境温度从-40℃变化到+85℃，变化量是125℃。电阻在此情况下的变化范围是±0.0003*125=±0.0375=±3.75%。同样，经过采样电阻后经ADC采集得到的电流误差为5A*±3.75%=±0.1875A；这是采样电阻影响电流采样的最主要的两个因素。根据以上两点，我们可以计算出在此情况下测量得到的电流总误差，也就是（±0.25A）+（±0.1875A）=±0.4375A。也就是在最极端的情况下，5A的电流你测量出来可能是4.56A或者是5.44A；到这里你可能会说，误差怎么这么大？没错，事实就是这么残酷，这就是恶劣环境造成的结果（室温环境这些因素的变化就很小，带来的误差也非常小）。接下来我们再来看其他一些影响因素。

因素三：PCB布线

这三张采样电阻的PCB走线图，两侧的粗线为大电流流过的走线，下方的细线则为电压采样的扇出线。从常规布线的连通性来看都是一样的。但是对于电流采样的结果却是完全不同的。我们依次来进行分析。

第一种PCB走线方式，因为红框部分的铜箔也是有电阻的，得到的采样电压不但包含了采样电阻的电压，还包含两个红框走线的电阻在电流流过时形成的电压。甚至有可能这部分走线的电阻比采样电阻本身还要大。这样测量出来的电流值是完全不准确的。

第二种PCB走线方式比第一种好一些，但是测量的电压里还是会叠加有红框焊盘部分电阻阻值引起的电压偏差。

第三种PCB走线方式才是完全正确的。输出的走线从采样电阻内侧扇出，这个位置没有大电流流过，避免了走线电阻造成的误差。而且两根扇出走线靠的很近，这样外界磁场在两根扇出线上感应出的干扰电压非常小，进一步减小了测量误差。

因素四：功率

下图是CSM系列采样电阻的功率降额曲线。

图 1 CSM采样电阻功率降额曲线

前面我们选择的采样电阻功率为1/4W，也就是0.25W。电阻阻值为10mΩ，当流过5A电流时，电阻上消耗的功率为I2R=52*0.01=0.25W，已经达到电阻的额定功率，在一般的环境中工作没有问题。但是如果此时环境温度大于70℃，根据上面的功率降额曲线，如果不进行功率降额，电阻自身的温度过高，就会影响阻值的稳定性，造成采样电流误差的进一步加大或波动，更加恶化采样结果。

经过上面的分析可以看出，在用电阻对电流进行采样的设计中，光是电阻这一个环节，就有很多因素会影响到最终的采样结果。所以在选用采样电阻时不但需要考虑电阻的阻值、精度、温度系数等参数，选择适合的型号，还要根据应用环境的工作温度范围进行反复的计算分析，以便得到符合自己要求的结果。

这里需要说明，和普通电阻相比，相同尺寸的MELF电阻具有更高的功率、更高的耐压和更高温度稳定性。Firstohm的CSM系列电阻是专门用于电流测量的电阻，具有功率高，耐潮湿和高稳定性等特点，由于采用了MELF制作工艺，可以耐受高负载脉冲电流的能力特别强。

CSM系列电阻的型号和参数如下表所示。

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全部评论（1）

倾啸 Lv3. 高级工程师 2020-12-16

很好的知识点，学习了

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