利用雙焊盤檢測(cè)電阻優(yōu)化高電流檢測(cè)精度

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。可見，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(zhǎng)，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℃。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℃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℃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。

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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

*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(zhǎng)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)。回流期間，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)。