負載電流的測量方法分析

電流測量可用于監測許多不同的參數，輸入功率就是其中之一。有許多采樣元件都可用來測量負載電流，但沒有一種元件能夠覆蓋所有應用。每種采樣元件都有其優點和缺點。比如，分流電阻器的功耗會導致系統效率下降，而且電流流過分流電阻器產生的壓降太大不適合低輸出壓的應用。DCR（電感直流阻抗）電流檢測電路的優點是可以無損的遙測開關電源中的電流，但DCR采樣電路的采樣精度取決于外圍參數（R，C）與電感器的匹配精度。霍爾傳感器的優點是能夠無損的遠程測量較大的電流，缺點是易受環境噪聲的影響不容易設計。

總之，對于具體的應用，只有了解每種方法的優點和缺點，才可以充分利用電流檢測領域的最新技術來改進測量精度。

分流電阻器

只要在布局和選擇檢測電阻器時多加注意，即可使用分流電阻器來簡單直接地測量電流。檢測電阻器的額定功率和溫度系數對設計高精度的電流測量系統非常關鍵。由歐姆定律可知，在系統設計中使用檢測電阻器并非難事。其缺點是檢測電阻器會產生壓降，消耗功率，降低了應用的效率。

在選擇感測電阻器阻值時，必須要知道檢測電阻器上的最大壓降和最大電流測量值。

首先，檢測電阻器上的壓降要盡量小，以降低檢測元件的功耗，減少發熱，檢測電阻發熱越少，溫度變化也越小，阻值隨溫度的變化也越小，其全范圍電流檢測的精度和穩定性也會越好。

由于大多數電流檢測應用中，最小和最大電流都是已知的，設計工程師需要選定分流電阻器的最大壓降。比如，假設被測電流是雙向的，最大分流器壓降定為±80mV，最大測量電流為±100A。分流電阻器的阻值可以使用公式1來計算。

公式1，使用歐姆定律來計算分流電阻器阻值

對這個例子來說，分流電阻器阻值Rsense的計算結果為0.8mΩ。表1是其他滿量程電流情況下分流電阻器阻值的列表。

表1，對應滿量程電流值和分流電阻器阻值以及最小額定功率

檢測電阻器的最小額定功率用公式2來計算。

公式2，計算感測電阻器的最小額定功率

如果檢測電阻器的最小額定功率計算結果為8W。一般經驗是選取公式2計算的額定功率的2倍。這樣一來，即使流過分流電阻器的電流偶爾大于其最大電流，感測電阻器也不至于發生故障。實際上，所選擇的檢測電阻器的額定功率與計算結果的比率越大，電阻器在大電流應用中的溫升就越小。

檢測電阻器的溫度系數（TC）會直接影響電流測量的精度。檢測電阻器的環境溫度變化及電阻器的功耗引起的溫度變化都會導致檢測電阻器阻值的變化。不同電流下電阻器溫度變化與電阻器的額定功率成反比。檢測電阻器溫度變化導致的阻值的變化，又會影響系統測量精度的變化。由于溫度升高而造成的電阻器的阻值變化可用公式3來計算。

公式3，計算溫度變化時阻值的變化

ΔTemperature是溫度變化值（單位：攝氏度）。RsenseTC是檢測電阻器的溫度系數。Rsense是感測電阻器在初始溫度下的阻值。

檢測元件阻值的變化與流過電阻器的電流成正比。檢測電阻器的封裝尺寸也可以影響了其溫升。選擇檢測電阻器時還應當考慮感測元件封裝重要參數的熱阻Θja。Θja是指電阻器與電阻器外部環境之間的熱阻。表2列出了常見表貼封裝的熱阻。

表2，表貼電阻器熱阻，引自Vishay應用說明書28844和60122

由表2可以看出，封裝越小，熱阻越大。

例如，阻值為0.8mΩ的檢測電阻器在流過它的電流為50A時會產生2W功耗，其溫度變化可用公式4來計算。

公式4，流過感測電阻器的電流與電阻器的溫度變化之間的關系式

在公式4中，I2*Rsense是分流電阻器耗散的功率。Θja是所選感測電阻器的熱阻。假設檢測電阻器的封裝尺寸是2512，則電阻器的溫度變化計算值為50℃。假設RsenseTC為100ppm/℃，使用公式3計算的阻值變化為4μΩ，4μΩ似乎不是一個很大的變化，但可比較阻值變化與總阻值的比例，流過電阻器的50A電流時，額定阻值變化0.5%，從而導致0.5%電流測量誤差。

由圖1可知，電阻器發熱而導致的電流測量誤差。越小的封裝越容易發熱，而且，越小的封裝能容許發熱功率也越低。在保持較小封裝的情況下，想要增加電阻的額定功率，可以選用較寬封裝。例如，0406封裝的熱阻大約等于1206封裝的熱阻。

圖1。由電阻器自熱造成的電流測量誤差曲線

實際應用中，我們常常難以買到參數合適的分流電阻器，往往要么是分流電阻器的阻值不存在，要么是分流電阻器的額定功率太低，為了解決該問題，可以使用并聯兩個或更多分流電阻器的方法來測量電流。

電感直流電阻（DCR）

DCR電流采樣電路是一種無損的采樣電路，其電路板空間也較小。但這種電路需要調試才能準確的采樣，其需要在生產時采取額外的步驟來保證電路的準確工作。另外無源元件的容差也會造成電路間測試精度的不同，如電感的溫度系數及電容的容差都會增加電流采樣的不準確性。總體看來，DCR采樣電路適合于粗略的測量電流，其可以滿足開關電源中無損電流采樣的目的。DCR采樣電路常用于低輸出電壓的應用（在此類應用中，若用電阻器采樣，其壓降會占輸出電壓很大的百分比）。低輸出電壓通常指低于1.5V的輸出電壓。