隨著全球趨勢發展，例如減少碳排、電網智慧化及汽車電動化等，全都在要求電子電路具有更高的效率。對於電路設計人員和系統操作人員，瞭解目前正有多大的電流流過電路且傳送到負載非常有幫助。將電池性能最大化、控制馬達轉速，以及對伺服器裝置進行熱插拔等情形是可受惠於準確電流量測的應用例子。
本文說明為什麼電流感測電阻器是最佳的低成本解決方案，可幫助廠商為眾多應用創造出更高效的電路設計。
電流感測電阻器的工作原理
電流感測電阻器被公認是高成本效益的元件，有助提高系統效率並減少損耗，因為跟其他技術相比，它們有很高的量測準確度。雖然對幾乎所有市場的任何應用都是理想的，但對幫助開發人員精準量測汽車、工業和電腦等電子設計中的電流，電流感測電阻器是特別有用的。
電流感測電阻器的原理是檢測電流並將電流轉換為電壓。這些元件的特色是電阻值非常低，因此，只會造成應用發生10至130mV的微不足道的電壓下降。分流電阻器與電氣負載串聯，所有要被量測的電流都將流過它。依照歐姆定律，數值已知的電阻器會產生與電流呈比例的電壓下降。對電阻器的電壓下降，可以各種放大器選項進行量測，例如運算放大器、差動放大器和儀表放大器。
要為特定應用選擇正確的電流感測電阻器，查看輸入共模電壓規格是很重要的。輸入共模電壓就是放大器的輸入端子的平均電壓。 由於分流電阻器與負載串聯，它們能夠直接量測電流。這與間接電流量測技術形成對比，例如在線圈上，與電流成比例的電壓會被誘發。分流電阻器使用直流感應技術的這個事實顯示功率會從電阻器消散，因而產生非常低的電阻值(圖1)。
圖1 電流量測
電流感測電阻器亦具有非常低的電阻溫度係數(TCR)，其不易隨環境溫度變化而漂移，且電流感測電阻器具有出色的長時間穩定性。這些特點使電流量測的準確度非常高，且量測的溫度依賴性非常低。圖2為使用K型電阻材料的電流感測電阻器的TCR曲線，顯示它們在±50ppm/˚C的範圍內工作。
圖2 使用K型電阻材料的電流感測電阻器的TCR曲線
克耳文量測
使用非常低歐姆的2端子表面黏著電阻器的設計會發現焊盤的接觸電阻和印刷電路板(PCB)的布線(Rlead)是不確定的，通常高於電流感測分流器的電阻(Rshunt)--Rlead+Rlead>>Rshunt，這會導致電流量測失準。此外，印刷電路板的銅箔布線的TCR(3,900ppm/˚C)亦遠高於分流電阻元件的TCR(<50ppm/˚C)。這些問題會導致引線的電阻值變化遠高於電阻元件的電阻值變化，造成電流電路的溫度依賴性非常高(圖3)。
圖3 Rlead的TCR
為了減少這些負面影響，設計人員可以使用電流感測電阻器來實施4線克耳文量測，它使用額外的引線進行電流測量，獨立於主電流(圖4)。
圖4 Rshunt的TCR
圖5顯示2端子電阻器亦可以採用4線克耳文方法。將電阻器的電流路徑予以分離，直接感測電阻器的電壓下降可提高量測準確度。除非需要極高的精準度，否則2端子電阻器是經濟實惠的選擇，搭配PCB布線，可提供4端子連接。
圖5 2端子電流感測電阻器與4線克耳文量測
如設計允許的話，建議如圖6中，使用4端子電流感測電阻器和4線克耳文量測，以為電流和電壓下降量測提供單獨的終端，這有助提高電流量測準確度。使用克耳文量測的另一個優點是可在溫度升高時提高感測放大器的穩定性來減低TCR的影響。
圖6 4端子電流感測電阻器與4線克耳文量測
高效電路設計的解決方案
有廠商Bourns開發CSS和CSM系列的高功率電流感測電阻器，以滿足眾多應用的準確量測需求。這些電阻器的製造使用電子束焊接金屬帶和鉻鐵或錳銅合金電阻元件，使它們具有出色的電氣特性。它們亦具有銅合金端子，可提供額外的機械強度且易於焊接。
Bourns的CSS和CSM系列產品具有低電阻、低熱電磁場(EMF)、低TCR、高功率和長期穩定性，因此是較佳的高準確度的電流量測解決方案。對於需要更高量測準確度的應用，Bourns除了2端子CSS產品外，亦可提供4端子版本。此系列的低熱EMF實現低電壓下降和更高的量測準確度，以及在130°C時21,000小時額定功率下ΔR/R max 1%的長期穩定性。CSS和CSM系列元件具有優異的品質，符合汽車級AEC-Q200標準。CSS系列的額定功率為2至15瓦，可處理極低電阻(0.2至5毫歐姆)的高電流要求。CSM系列具有36W至50W的永久額定功率和25至200毫歐姆的電阻值。CSS和CSM系列在20°C至60°C的溫度範圍具有50ppm/°C的低TCR，因此電阻隨溫度的漂移度非常低。
新的CSS和CSM系列電流感測電阻器系列補充電路調節元件的陣列，包括功率電感器和整流二極體。除了符合RoHS標準，新的CSS和CSM系列還可在很長的溫度範圍作業(-55至+170°C)，可在惡劣環境中保持可靠性。該公司可依照要求提供客製元件，以滿足使用者所需要的形狀，以及機械和電氣特性。
焊接建議
需要使用幾毫歐姆或更小的極低值電阻器的應用通常會發現焊料的電阻成為感測元件電阻的很大一部分，且會大大增加量測誤差。圖7顯示Bourns對CSS和CSM系列產品建議符合IPC/JEDEC-J-STD-020的焊料曲線。
圖7 焊接曲線
應用舉例說明電池管理系統
妥善的電池管理需要持續監控流過電路的電流。在使用可充電電池的汽車和其他市場中，電池的狀態是很重要的。使用Bourns CSS和CSM系列等電流感測電阻器來進行電池管理時，可提供一種非常準確且高成本效益的方法來滿足這些需求。它們提供低於1毫歐姆的低歐姆，滿足低電壓下降和高準確度的要求。電流感測電阻器可以處理100~1,000安培引擎起動器的高電流。由於溫度波動大，它們的低TCR尤其適合汽車應用。
電池管理系統的主要任務：過電流保護；充電期間的過電壓保護；限制充電/放電電流(圖8)。
圖8 電池管理系統
DC/DC轉換器
高性能的電源對成長快速的行動裝置市場越來越重要，尤其是在消費者和IT領域。電流模式DC/DC轉換器中使用的開關電源所需要的效率高於傳統的線性電源。高穩定性和高電源效率對確保敏感電路的安全和協助延長寶貴的電池壽命是非常重要的。
圖9的例子說明CSS系列電阻器如何提供嚴格的電阻值公差。
圖9 DC/DC轉換器
用於DC/DC轉換器的電流感測電阻器具有小於10~20毫歐姆的低電阻值，可實現低功耗。它們的低TCR和低熱EMF將裝置的自我生熱的負面影響和各種環境溫度的影響最小化，甚至完全消除。
數位馬達控制
電流感測電阻器採用新的數位技術而成為馬達控制趨勢的一部分，為設計人員提供高度可靠性，及導入元件級標準IEC 60747-17。數位控制提供其他好處，例如更快的環路回應，允許整合過電流保護及更窄的死區時間。這可以實現更平滑的輸出電壓，進而有助改善扭矩控制。
圖10顯示一個典型的三相永磁式馬達驅動器，其使用感測電阻器來量測繞組電流。Sigma-Delta調變器具有增強的隔離，允許直接量測電流感測電阻器的電壓，除了由電阻器和電容器組成的一個簡單分離的低通篩檢程式外，無須其他元件。
圖10 3相馬達驅動和數位控制及感測電阻器
電流感測電阻器是馬達控制的理想解決方案，因為它們的電阻值很低，只有0到2毫歐姆(取決於最大功率)。它們的低TCR有助設計人員將電阻隨溫度的漂移減至最低。在選擇電流感測電阻器時，一個重要考慮是馬達驅動器會不時發生短路，電流感測電阻器必須能夠處理短時間超載且不會因此損壞。
Bourns CSS系列電流感測電阻器採用特殊合金製造而成，具有低電阻過溫漂移，且所產生的輸出電壓可透過一個隔離式Sigma-Delta調變器以一個可調節的比例因數加以讀取。
熱插拔電路
熱插拔或帶電插拔主要用於IT和電信系統，在這些系統中，在不中斷系統下更換元件或模組是非常重要的。一旦軟體在電腦上運作，使用者可以在系統維持運作狀態下移除設備並插入替換設備。此外，很重要的一點是熱插拔電路必須能夠保護模組免遭受短路、過電流、浪湧電流和低電壓等情況影響。
在圖11應用中，熱插拔控制器透過電流感測電阻器來感測電流。電流感測電阻器非常適合熱插拔電路，因為它們的電阻值很低(低至0.2毫歐姆)，能夠處理電信應用中數百安培的高電流。
圖11 熱插拔電路
智慧電表
智慧電表越來越受歡迎，因為它為即時能源監控提供了準確、高成本效益的解決方案。低值電阻器可以在智慧電表內提供電流感測和電流回饋。
這個解決方案非常適合住宅型智慧電表，因為這些精準的低值電阻器具有非常高的成本效益且易於使用。在電表中，只需將一個電阻器與大電流電氣母線串聯，並計算流過它的電流即可。這個計算在執行上，可依據數值已知的電阻器中的電壓和電流的比例關係。將這個電流值和暫態電壓相乘，可得到任何瞬間消耗的功率，並可由微控制器(MCU)持續監控。
電阻器可放置在電壓和訊號線之間，在這些地方可能需要限制供應電流以防止損壞其他元件。增加部署的靈活性，亦可以將功率電阻器用於加熱功能，以在寒冷環境中穩定內部儀表溫度(圖12)。
圖12 智慧電表
簡單、高成本效益的電流量測
電流感測電阻器和電阻分壓器為智慧電表內的微控制器提供電流和電壓量測。電流感測電阻器提供了簡單且高成本效益的直接且準確的電流量測方法。其他優點包括低TCR、低熱EMF和長時間穩定性。低電阻電子束焊接金屬合金型的電流感測產品，具有良好的電氣特性和浪湧表現，可提供高效和可靠的保護，防止短路和過電流威脅。
(本文由Bourns提供)