在一些电子测量仪器、装置或产品中,经常有测量电路中直流电流的需要,因此研发人员开发出各种各样的电流检测集成电路.它是一种I/V转换器,将测量的电流转换成相应的电压,即V=kI,其中k为比例常数.另外,在一些电子产品中要限制输出电流,以防止有故障时(负载发生局部短路或输出端短路、电源输出电压升高等)产生过流而造成更大损失.检测到有过流发生时,可以控制关断电源或负载开关,或以限制的电流输出.

图1

图1是一种电流检测电路.RS是电流检测电阻,RL是负载(通常为直流电机、电磁阀或加热器等).当电流流过电流检测电阻时产生一个电压降VRS,此电压输入电流检测IC,经放大器放大后输出与电流I成比例的电压V.为减小在RS上的电压降VR,检测电阻一般取很小阻值(几毫欧到几百毫欧).

图2 过流保护的负载开关结构框图

图2是一种带过流保护的负载开关结构框图,图2中,RL是负载,RS是电流检测电阻.流过RS的电压降VRS与电流I成比例,此电压VRS输入负载开关VI端.若内部电流检测电路检测出有过流状态,输出过流信号(电平信号)给通、断控制电路,关断负载开关.一旦开关断开,RS上电压VRS=0,开关又接通,产生振荡,如图3所示.输出电流将小于限制电流.更好的办法是通过FLAG端输出过流信号给μC,使μC输出低电平给负载开关ON端,关断负载开关.图2中未画出μC及μC与负载开关的连线.

从图1及图2可看出:无论电流测量或电流限制控制电路都需要外接电流检测电阻RS.RS的选择是否正确及RS的质量好坏,对电流测量精度有很大的影响.

电流检测电阻的要求及特点

电流检测电阻是随电流测量、电流控制的要求开发出来的一种特殊电阻.电流的测量范围很广,从几毫安到几十安;测量的精度要求不同,电流检测电阻也有不同的规格以满足不同的需要.本文主要介绍高精度电流检测电阻,其主要要求及特点如下.

表1 LR2512与CS1225的主要性能参数

1.RS的阻值小于10Ω

为减少在RS上的电压降及减小在RS上的功率损耗,RS的阻值要求小.一般在大电流测量时(几安到几十安)要采用毫欧级的RS.例如,检测电流为12A,若RS=0.1Ω(100mΩ),则在RS上的压降VRS=1.2V,其功耗为14.4W.如果电源电压为12V,则在负载上的工作电压已降到10.8V;并且在检测电阻RS上的损耗也太大.若采用5mΩ的RS,则RS上的压降减小到0.075V,其功耗减少为 0.72W.测量电流小时(如几十毫安到几百毫安),RS值可取零点几欧姆到几欧姆.所以电流检测电阻RS的阻值是小于10Ω的.目前已开发出超小阻值的系列,有1mΩ、0.5mΩ、及0.25mΩ系列的电流检测电阻.

图3 内部电流检测电路产生振荡

2.四引线结构

当电流检测电阻值已小到几毫欧时,其引线的电阻造成的误差则不能忽略,为此开发出四引线结构,如图4所示.接近电阻根部的两引线为测量VRS端,另两根引线为电流的通路.在电阻根部测量RS上的电压(消除了引线电阻的测量误差)是精密测量方法,也称为凯尔文(Kelvin)测量法.

图4 四引线结构

3.RS的允差要求小

为保证电流测量的精度,RS的允差要求小.一般精密电阻的允差可达±0.01%,但电流检测电阻值很小时(如RS=2mΩ),其允差达不到±1%,目前其允差可做到±0.5%.一般允差为±0.5%~±5%.

图5 70℃时降功耗使用

4.温度系数(TCR)要求小

在测量大电流时,RS的功耗可达1W以上,自身会发热,若Rs自身温度系数大,则电阻值发生变化而引起测量误差.另外,环境温度TA也会影响Rs的阻值变化,所以要求RS的温度系数小.目前典型的电流检测电阻的TCR为 ±1~±15×10-6/℃(在TA=0~60℃时,RS<1Ω).除要求其TCR小外,还要求有长期稳定性.

5.额定功率大

为满足大电流的测量,其额定功率一般为1~3W,某些功率电流检测电阻在加散热片的条件下可达10W(允许测更大的电流).

表2 LR的外廓尺寸及焊盘尺寸-允差

6.允许环境温度(TA)宽

电流检测电阻的工作温度范围宽,一般为-55~+125℃.有一些可达150℃.但大部分RS在25℃后要降功耗使用,个别的RS可在70℃后才降功耗使用.例如,某电流检测电阻在25℃时的额定功耗为1W,在100℃的工作温度时,其允许的功耗已降到50%即0.5W;若在150℃工作温度条件下,则允许功耗降到20%即0.2W.这一点在实际使用时十分重要.

表3 几种典型的电流检测电阻

7.热电动势要小

典型值为0.05 μV/℃.

典型的电流检测电阻

电流检测电阻的生产厂家很多,同一生产厂家也会生产出几种或几十种不同的电流检测电阻(如不同的电流测量范围、不同的精度、不同的封装等).这里介绍KAT公司的高精电流检测电阻LR系列和CS系列及一些同类产品.

1.主要特点

LR系列高精度电流检测电阻的主要特点:

①温度系数最大值为±15×10-6/℃;

②额定功率为1~4W;

③阻值允差±0.5%-5%;

④阻值范围0.25 mΩ~420mΩ;

⑤最大检测电流可达80A

;⑥贴片式元件(SMD);

⑦四端精密凯尔文结构,提高测量精度;

⑧有无铅产品;

⑨工作温度范围-55~+155℃.

2.主要性能参数

LR与CS系列的主要性能参数如表1所示.

在工作温度(环境温度TA下)大于70℃时,要降功耗使用,如图5所示.

3.尺寸及焊盘尺寸

该系列电流检测电阻的外廓尺寸及焊盘尺寸如表2所示.

德国伊萨(ISABLLENHUETTE)

这里再介绍一些其他同类产品,德国伊萨(ISABLLENHUETTE)始创与1482年的德国伊萨拜棱辉特(ISABLLENHUETTE)公司,在金属合金的制造加工和处理方面,有着长达500年的历史和经验,1889年在全球最早研制出锰镍铜电阻合金,1978年生产世界第一个表面贴装豪欧电阻器,至今仍保持该技术的领先地位.现在伊萨拜棱辉特(ISABELLENHUETTE)公司已经成为世界上最主要的电阻用合金材料和最先进的紧密微阻值电阻制造厂商.

低温度系数、地热电动势、良好的长期稳定性、低寄生电感,高脉冲负载能力等是对用于电流检测的精密电阻的基恩要求其中部分特征取决于电阻材料,部分特性则由设计和生产工艺决定.伊萨拜棱辉特((ISABELLENHUETTE)的产品采用两种上产技术,ISA-WELD(高能电子束焊接铜maganin铜的技术).

PCB及散热安装产品

应用领域

电流检测电阻的应用领域极广.主要应用与工业、消费类、汽车、通信、医疗、仪器及军用/航空和航天.这方面的应用如表4所示.