【经验】以LRMAP3920系列低电阻金属合金功率电阻为例说明电流检测电阻的原理、选择及应用

电流检测电阻或分流电阻是用于测量电流的设备。它们检测电流并将其转换为测量的输出电压。电流检测电阻通常是低阻值，高功率的电阻。它们设计为低电阻，是为了最大程度地降低功耗，并消除短路风险，防止损坏其他组件。根据欧姆定律，电压和电流之间的比例关系使传感电路能够实时测量负载的电流。这是一种经济高效且简单的电流测量方法，可减轻短路或过载的影响并最大化电气系统的效率。除了提供定制的工程解决方案外，TT Electronics还提供全方位的电阻技术和广泛的系列标准产品。在设计电流测量系统方面，TT Electronics致力于在如今竞争激烈的电路设计行业，保持领先地位。

在本文中，TT Electronics将以LRMAP3920系列低电阻金属合金功率电阻为例讨论电流检测电阻的基本原理，电阻的选择和使用及其在不同行业中的各种应用。

图1、LRMAP3920系列

<电流感测电阻：性价比高的电流测量>

电流检测电阻通常串联在电源和负载之间的电路上，通常设计为具有极低的电阻值，以最大程度地降低分压和功率损耗，典型电阻值为毫欧级。

电流检测电阻的基本理论遵循标准电阻的工作原理。不一样的是，一般主要使用标准电阻来调节电流，而使用电流检测电阻来对电流进行检测。它们通常连接到放大器，以最大程度地降低噪声的影响，同时保持一定的检测分辨率。如果后续电路与电流路径存在压差，就需要使用隔离放大器。这不是强制性的配置，但是在设计电流测量系统时，在隔离电路和非隔离电路之间进行选择是一个至关重要的问题。

选择电流检测电阻时，压降是一项关键指标。将电流检测电阻插入电源和负载之间，由于电流流经电阻时的压降，会导致不同程度的功耗。这部分功率被浪费了，没有用在负载上，而是作为热量散发，这可能会进一步影响设备的性能。

<四种常见的电流感测方法>

设计人员要测量电流的首要任务是从四种常规电流检测方法中选择其中一种。下面列出了这些方法，并分别列出了它们的优缺点。电流检测电阻法具有低成本和准确的宽带测量优势，通常是最好的选择。

1）电流检测电阻；优点：低成本，准确的宽带测量；缺点：功耗必须加以控制；

2）导体法（例如PCB轨道元件引线框）；优点：零成本，减少零件数量；缺点：精度低，TCR非常差；

3）电流互感器；优点：有隔离效果，低能量损耗，适合大电流；缺点：带宽有限且仅交流电，体积大且质量大，易受磁场影响；

4）霍尔效应传感器；优点：隔离，低功耗；缺点：只能适用DC及有限带宽的测量，成本高

<如何选择和使用电流感测电阻：尺寸和选择>

在许多应用中，必须测量传递到负载的电流，该电流可以是例如加热器，电动机或电路板的电流。与这一基本挑战相关的问题很多，其中包括是否使用隔离式或非隔离式传感器，使用高压侧或低压侧检测以及为传感器提供模拟前端（例如隔离/非隔离，最大共模电压等）等问题。

出于性能，简化设计和成本原因的综合考虑，使用分立式检测电阻进行高压侧电流检测是最常用的方法之一。电阻放置在电源和负载之间，测量电阻两端的电压。通过欧姆定律的基本应用，可以轻松确定电流。

图2、高压侧检测电阻通常用于通过负载两端的IR压降测量负载电流。这里显示了在电阻与前端和A/D转换器之间具有隔离放大器。

第一个明显的问题就是“  检测电阻的最佳电阻值是多少？” 这样一个简单的工程问题就显示出了不得不折衷的困境。一方面，都希望该电阻足够大，以使其两端的电压能达到几伏。通过提高信噪比（ SNR），可以提高读数的准确性，最大程度地降低噪声的影响，并在测量范围内测量较低电流值时，还能保持一定的分辨率。但是测量电阻两端的电压也有一些缺点。它会降低提供给负载的电压，并且它的存在会让闭环控制失效，因为实际的负载与此插入元件（电流测量电阻）处于串联状态。

此外，它通过I²R基本公式来计算来功耗。功耗因素包括两个方面：

1）它表示浪费的功率没有传递给负载，从而降低了系统效率。

2）它会发热，因此必须散热，这会影响系统的可靠性。

快速计算一下可以表明上述的问题。假设适中的最大电流为10A，电阻为0.5Ω。电阻两端的最大电压为5V，对于精确测量而言，这无疑是一个好测量的数值。但是电源轨的幅值裕量仍有5V的损失，并且50W的散热可能是一个重大的问题。这种将电阻减小到几毫欧甚至更小量级的折衷方案，解决了大多数中高电流设计的问题，例如TT Electronics LMRA系列，电阻范围为0.5mΩ至300mΩ。

但是，这意味着电阻两端的接口必须捕获相对较小的电压及其变化值，因此需要仔细的设计布局以及良好的SNR。还存在电阻的额定功率的挑战，设计过程必须考虑功耗的大小，因为功耗与电流的平方成正比，而电阻的功率很容易就达到瓦特级。

因此，需要提供毫欧级电流检测电阻，额定功率范围从几瓦特到几十瓦特不等。例如，LRMAP3920系列低电阻金属合金功率电阻，提供高达5W的标准功率额定值和高达10W的热基板功率额定值，电阻值为0.2mΩ至3mΩ，且面积仅为5.2mm×10mm。

电阻必须放置在能够充分冷却的位置，可能需要放置在铺铜散热片上。这种电阻主要由焊接的金属元件组成，其工作温度仅受防止焊点接近熔点的需要所限制。通常，支持的元件温度高达170°C，适合汽车内引擎盖使用。对于电流检测电阻，PCB布局对于获得准确结果至关重要。即使对于双端电阻，连接走线也应采用四线式Kelvin配置。必须避免在电流检测路径中包含铜走线；即使可以校准电阻误差，也会给电路带来不必要的温度敏感性。

<带电流检测电阻的设计技巧，可准确测量电流>

1.选择最佳电阻值

选择最佳电阻值是一个平衡问题。如果过高，则会浪费功率，产生过多的热量，并且失去电压调节能力。如果它太低，则感测电压将相应地低，因此噪声和分辨率问题将限制精确测量。

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器技术。许多电流感测电阻器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

通常，电流检测电阻周围的PCB轨道设计对性能的影响比普通电阻器更为重要。

5.发热管理

无论您的设计是要求电阻器在其额定功率的很大一部分上耗散功率，还是需要最小的温升以最大程度地降低TCR误差，所以必须了解如何降低热量以及将热量散发到哪里。

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高浪涌电流。 

7.高温降额

与任何电阻器一样，如果环境温度高于额定温度，则必须降低功率。

8.了解热电动势

当使用具有高散热和低检测电压的金属分流器时，可能需要考虑热电电压。

9.减少归纳误差

高电流路径和低信号电压的结合使电流检测电阻器电路特别容易受到电感误差的影响。

10.组合多个电阻

设计人员有时被迫使用多个并联的电流检测电阻，以达到高功率或浪涌额定值，或者要使电阻值低于可用的最小值。 

<总结>

测量电流对于管理系统性能至关重要。TT Electronics是世界领先的精密电气组件供应商之一，已经为各种应用提供了符合RoHS指令的经济高效型电阻，为各种电子领域的工程师提供了实用的电流测量解决方案。