【工业开发者论坛精彩笔录】毫欧姆电阻在电流检测设计中的选型和应用

中心议题：
    * 2011西部工业开发者论坛精彩笔录

本文整理自北京基创卓越电子有限公司技术专家钟春生在2011西部工业开发者论坛上的演讲。

各位来宾上午好！我是北京基创卓越电子有限公司的钟春生，我今天演讲的题目是毫欧姆电阻在电流检测设计中的选型和应用。我的题目一共分为5个部分：第一个部分是电流检测技术的概述；第二部分，基于分流器的直接式电流检测技术；第三，精密电流检测电阻的技术要求，；第四，Isabellenhuette精密电流检测电阻介绍；第五，毫欧姆电阻的主要应用领域。

我们知道电流检测在电路中一共有3个功能，第一个是测试，第二是保护，第三是控制。我们从原理上讲又把电流检测技术分成两种，一种是基于电阻器的直接式电阻检测技术，另一种是基于霍尔原理的间接式电流检测技术。对于间接式电流检测技术来说，我们又有基于霍尔效应的和基于互感器的，这不是我们今天的重点，所以略过去。对于直接式的电阻检测技术来说，我们又分为模拟输出和数字输出两种。对于模拟输出来说我们又有高位检测和低位检测的区别，对于数字输出我们又有隔离式和非隔离式的区别。对于间接式的电阻检测技术和直接式的电阻检测技术，他们各有优缺点，对于间接式的技术来说它的优点在于没有功率的耗散，同时它本身是隔离的，我们在电路设计中不需要做隔离的处理。但是它存在体积大、漂移比较高，需要做补偿、噪声、线性、长期稳定性以及范围，另外还有一些磁网和特性上的缺点。对于直接式电流检测技术来说，它的优缺点基本上是把它反过来，它的缺点在于它因为是串在电路中的，所以它存在着功率的耗散，同时它的输出信号是不隔离的，如果在一些高压的系统中，我们需要做隔离的处理。另外它的输出信号比较小，我们需要通过运输放大器对它的信号进行放大的处理。但是它会有更多的一些优点，比如说体积很小，它有非常好的线性度，不需要做补偿，它有出色的长期稳定性和温度的性能。另外它有非常宽的动态的检测范围，除此之外，它的成本也要低廉得多。

 

我们知道欧姆定律是在1820年被提出来的，实际上电阻检测技术是直接式的电阻检测技术在前，间接式的电阻检测技术在后，欧姆定律被提出来以后，我们当时的电阻合金的材料和技术不足以支撑很精密的检测，所以这个时候霍尔的原理反倒是领先。随着最近20年电阻合金以及精密电阻制造技术和工艺的提高，基于分流器的直接式的电阻检测技术卷土重来。尤其是1987年，德国伊萨拜棱辉特发明了表面贴装的电流检测电阻之后，这种技术现在突飞猛进的发展，尤其是在300A以下的电流检测，现在在欧洲新的设计已经绝大部分基于分流器来进行。但是这种技术目前存在非常多的挑战，根据欧姆定律我们在一个固定电阻上流过的一个电流，会在它两端产生一个固定的电压，但是这是一种理想的状况。实际的状况是什么？我们会有运算放大器的十条电压，会有整个电路的设计中的感应电压，以及有中间的因为存在热量而产生的热电压，还有PCB的走线所附加的一些压降。也就是说我们实际检测到的电压并不完全和电流成正比，因此在基于分流器的分流检测中，我们需要尽量降低这一些附加的成分。我们现在看一下作为直接式电流检测技术检测电阻的要求有哪些。在我们常规的Ω、KΩ的电阻中，我们所关注的参数并不需要很多。但是为了降低电流检测电阻的功率耗散，我们需要使用阻值非常小的电阻器，我们过去很多不关注的参数在这里我们不得不去关注。我们会看到长期稳定性、温度漂移、热电动势和寄生电感等等一些参数，我们在电流检测中必须要考虑。而且它对于电流检测的误差的影响是巨大的。

影响这些参数主要有哪些因素？首先是材料，我们没有一个好的电阻合金材料是无法制造出好的分流器电阻的。另外就是设计，第三个是制造的工艺，我们叫制成。可以看到材料对于温度系数对于长期稳定性和热电动势影响是最大的，设计对于寄生电感、功率和它的内阻以及它的端子结构影响是巨大的。制成主要是对它的精度以及它的成本影响很大。因此一颗好的电流检测的电阻，并不是一个很简单的问题。我们简单的介绍一下几个重要的参数对于检测精度的影响。在这个图中我们可以看到TCR的曲线，其中蓝色是我们常规的铜，也就是我们PCB板上走的铜膜，我们会看到它的温度漂移是4000个PPM，也就是温度每变化1摄氏度它的阻值要产生一百万分之四千这样的误差，这个值是非常大的。因此在我们做设计的时候，电阻的端子以及PCB的走线影响是巨大的。我们不可以去忽视。我们看到的红色的线我们叫做锡青铜，它的温漂是700个PPM每K。看到的绿色的这条线是我们的锰镍铜，锰镍铜是纯粹的合金材料，好的锰镍铜它的温漂只有10个PPM，是制造分流器电阻的最理想的材料之一。可能大家会问，你为什么不介绍一下精度值？我们拿一个例子来看，我们使用1毫欧的电阻，1%的精度来检测一个45A的峰值电流，那么它的耗散功率接近2W，我们取得的采样信号大概是45个毫伏。我们不考虑其他的因素，我们知道得出的检测误差是1%，那么我们再来看温漂对它的影响。假设这个电阻工作到100度，因为我们的参数给出来是25度的。工作到100度将意味着我们有75度的温度变化，如果我们使用20个PPM的合金来做这个电阻，我的误差是千分之一点五。如果我使用800PPM的合金来制造的话，我最终的检测误差是6%，可以看到6%远远大于1%的水平。因此在电流检测的设计中，TCR是比误差更重要的参数。初始误差我们可以通过后续的电路和软件进行校准和补偿，但是TCR做起来的难度要大的多。所以我们在选择一个电阻的话，首先要考虑的是它的温度系数。

这个曲线我们看到的是电阻器的长期稳定性，所谓长期稳定性就是指电阻器在一个额定的温度的条件下工作一个时长，比如说5000个小时，它的阻值的变化率是多少。大家知道我们的测试仪器是可以定期的回到实验室做校准，但是我们安装在现场的工业设备，以及马路上跑的汽车，我是不能回去经常校准的。所以这要求我们的检测电阻要有非常好的长期稳定性。实际上这个曲线我们可以看到它的长期稳定性在140度的环境下去测试，当达到5000个小时的时候，它的长期稳定性是负千分之二点五，这是一个非常好的指标。下一个参数是热电动势，我们知道两种相同的或不同的金属材料，搭接在一起，当它两端产生温度差的时候，那么它会产生一个由高温测向低温的热线电压，我们叫做热电动势。因为我们的电阻器一定是由不同的材料复合在一起做成的，因此它的热电压一定是存在的。我在过去的实践中见到我们很多的客户在使用钪铜片，冲压成一个电阻来做。坦白说钪铜的TCR是非常好的，是非常理想的，但是它的热电压很高，达到了负40个微伏每摄氏度这样一个值。我们打一个比方，如果用一个1毫欧的钪铜片来检测4个安培的电流，我得到的取样电压是4个毫伏。但是当我的温度每变化10摄氏度，我们在电路中温度变化10摄氏度是很容易的事情，他将会产生400个微伏的热电动势，这样我检测的电压就变成了4.4个毫伏，也就是说因为热电动势而导致了我的检测信号的检测的误差达到了10%，所以这是不可以接受的。因此在高精度的电流检测中，钪铜是不可以被选择的。

锰镍铜我们会看到能够达到小于0.2个微伏每摄氏度的水平，我们的热电动势是有一个基准，就是相同的铜对铜的水平。铜对铜是小于0.2的，我们可以看到红色的锰镍铜可以达到接近于铜对铜的水平。但是我下面有一个带引号的锰镍铜，这个锰镍铜是我们市场上常规的锰镍铜，锰镍铜的专利已经过期了。锰镍铜是1889年德国的伊萨拜棱辉特发明的，到现在为止他的专利已经过期了，全世界人民都可以来做锰镍铜。这是我们国内的锰镍铜材料的水平，这个锰镍铜是德国伊萨拜棱辉特的锰镍铜水平，所以我们会看到差了将近10倍。这个曲线我叫做功率折减曲线，也有人管它叫温度折减曲线。我们不管是金属材料还是半导体，它在温度升高的时候，它实际的额定功率都会降低。只是说从哪一个温度的点来做折减，我们这个看到的曲线是同一颗电阻的，只是我们对于稳定性的要求不同。温度越高稳定性就会变低。在不超过1%的稳定性的情况下，会看到我们的折减点是140度，不超过千分之五的情况下，我们的折减点是105度。我们采样电阻在市场上可以见到很多，所以很多的厂商都会告诉你，你在选择采样电阻的功率预量要预留50%。为什么他让你留50%呢？是因为它的折减点是到70度，如果你的实际工作温度达到100度的时候，它的实际的功率可能就只到它的50%的功率了。所以你必须要留足够的预量来做。如果你所选择的电阻折减点很高的话，将意味着你可以留更小的功率的预量。因此我们不能单纯的去比较我的产品是5W和你的产品是5W，你要去基于相同的温度折减点的情况下去做比较。我的4瓦可能比你的5瓦实际的承载功率还要大一些。这是一个非电器参数，就是我们采用电阻的端子结构。我们的电阻器目前可以见到两种，一种是两条腿的，一种是四条腿的。对于一个采样电阻的等压电路来说，我们可以看到等压电路相当于三个电阻串联起来，中间是我们真正需要的，两端是端子的电阻以及相应焊盘的电阻，甚至会有一部分PCB走线的电阻。这两个电阻是我们不希望出现的，在有些电路电阻的结构中我们会在中间抽两个抽头，这两个头是用来走电流的，这两个是用来检测电压的。

我们看一下曲线，会看到四端子的产品会比两端子的具有更好的温度系数。绿色的是四端子的产品，红色的是两端子的产品，我们把这种叫做卡尔文连接，如果设计成本允许的情况下，可以尽量选择四端子的产品，因为它的TCR会更好。但如果成本上有一定的压力，也可以选择两端子的产品，我们会给你一些关于PCB（1：31：45）的有效建议，可以接近四端子的产品。时间的关系，我在这里也不再去介绍如何去做PCB的设计，如果你们需要这方面的沟通，会后可以来联络我们。
     
最后一个参数是热内阻，一个电阻器总的热阻相当于各个部分的热热内阻串联的和。我们努力降低每一部分热阻，会让整个电阻的热阻降低下来，热阻降下来的好处在于我们可以让同样的功率产生的热量散得更快，可以承载更大的功率，因此功率的折减点就可以变的更高。我们反过来看这个曲线的斜率的倒数是这个电阻的热阻，因此一个很陡峭功率折减曲线的电阻比一个很平缓的折减电阻更好，具有更小的热内阻，同样分装的情况下可以承载更高的功率。刚才介绍了几个主要的参数，下面我们看一看我们有哪些精密的电阻器可以给大家来推荐。

 

Isabellenhuette是一个很长的名字，大家都知道Isabellen是一个人名，是一个女人的名字。huette在德文里面是工厂的意思，特指冶炼的工厂，这在1734年伊萨拜拉的德国女人和她的丈夫离婚以后，作为财产分割，把他家族的工厂分给了她，她把这个公司的名字改成了伊萨拜拉冶炼厂。我们现在把它翻译成中文叫伊萨拜棱辉特，它是世界最领先的电阻合金的制造商，也是世界上最领先的采样电阻器的制造商，这家公司到现在为止已经有超过500年了历史。

伊萨的产品从工艺上分分为两类，一、平面工艺，我们叫做伊拉-普兰；二、焊接工艺，我们叫做伊萨-威德。从封装上来看，我们又分为SMD的产品和混合安装的产品、PCB安装带散热片的产品以及汇流排。除此以外，我们还可以为客户提供定制化的产品，对伊萨-普兰的产品来说，目前一共有4个系列可供选择，这个是刚才提供的1987年世界上第一枚表面贴装的电流采样的产品SMR和SMV系列，后面出来的SM标准化的产品也是目前上销量最大产品之一，后来出了低功耗的倒装芯片，即散热片朝上的产品啊LMx以及2008年四季度最新推出来的VMx的系列。对于VMx系列来说，我们可以提供0.5毫欧到2欧姆的产品，精度是5‰-5%，功率从0.5瓦，1瓦、2瓦、3瓦，，我们是世界上唯一可以提供2512封装的尺寸，达到3瓦持续功率的产品，刚才我有介绍过，我们的3瓦和竞争对手的3瓦的概念不太一样，我们相当于竞争对手3.6瓦的水平。
    
这个系列的焊盘是标准的焊盘，和我们传统的电阻器完全兼容，SM系列是世界上被最为广泛应用的产品，它可以提供1瓦、二瓦、3瓦、5瓦的产品，5瓦是2817的封装，组织是0.5毫欧到2欧姆。
    
A-H系列，这是一个10瓦的产品，我们提供1‰到5%，大家可以看到它的热内阻非常低，只有每瓦3K，即每一瓦的耗散功率会引起3度瓦温度的上升，这个产品被广泛用于比较精密的测试设备中。下面这一颗是PBV，是一颗不加散热片3瓦，加散热片10瓦的产品，这个产品被广泛用于高端的电源的设计中。

RTO有两个系列，一个是RTO-A，一个是RTO-B，这个是两端子的产品，这是四端子的产品，当然两个系列的阻值会有些不同，它的耗散功率是40瓦，隔离电压500V。

RUG在中国广泛用于锂离子电池的检测设备，目前中国锂离子检测电池的设备应该在90%以上都在使用RUG的产品，这个产品是250瓦的功率，它的内阻低到惊人的水平，只有0.1摄氏度/瓦。

下面这一颗是全球唯一独家可以提供的产品，我们叫定标电阻，就像天平的砝码一样，我们会告诉你什么叫1K，我们会告诉客户什么叫做1VO，什么叫做一个毫欧，我们给标准计量局和电阻器的工厂提供标定使用的，当然这个产品非常昂贵，大概有2000欧元一颗，但在国内我们已经有客户在使用。这个TCR在这里，它可以做到一个PPM的水平。
 威德系列，我们有标准产品，也有定制性的产品，我们可以提供更小阻值，更大电流的应用。首先，给大家介绍的是BV系列，这种技术是铜的端子加合金材料，中间使用一种称之为EBM，我们叫高能电子束焊接专利的工艺来进行焊接。产品工作温度范围可以高达170度的环境温度，标准的阻值可以做到100VO，我指的是标准品，定制的可以做得更低。像这一颗BBE200VO的产品，我们可以通过187安培的持续电流能力。

BVS在国内汽车电子、电源、变频电机的驱动技术中被广泛使用的产品，我们可以提供0.2个毫欧到5个毫欧的产品，1%-5%的精度。我们根据中间合金材料不同，可以提供2.5瓦到5瓦的耗散功率，同样它也具有非常低的热内阻。我们给出了三个它的特性曲线，第一个是TCR，第二个是温度折减曲线，第三个是长期稳定性，会看到TCR的曲线和其他厂家有所不同，我们TCR的曲线是负温的，温度升高的时候，我的阻值会略微变小，提供自补偿的功能。

 

长期稳定性，在170度的测试条件下工作6000个小时，不超过负2‰，会看到电阻器使用一段时间以后阻值不是变大，也是轻微边销，这对电路的补偿设计是一个非常好的性能。BVR和BVB是基于卡尔文连接的产品，这个产品比起BV系列来说，可以看到它的高度变的高了一些，这种产品是专门用于陶瓷基板、DCB和IMS安装的产品。因为陶瓷基板的热膨胀系数非常小，电阻器流过比较大的电流的时候，有比较大的温升的时候有热应力，为了避免把陶瓷基板拉裂，我们加高它的高度，它自己能够自适应的吸收到产生的热应力。当然四端子的技术的TCR也会更好。

 

最后一个WELD的产品，我们称之为BVS。现在电动汽车和混合电力汽车的兴起，我们需要大量的设计电池管理系统，我们这一颗是专门为电池管理系统而推出，它的阻值是典型值是100VO，可以用来检测正负390安培的电流，它有非常低内阻。当然它的精度不是很高，因为对100VO来说，做1%的精度我们可以做，但筛选成本会比较高，目前来看5%已经足够用了。针对这个产品，我们还有后续处理的方案，用它做成的电流传感器可以覆盖毫安级到千安级检测电流的范围，而且有非常高的精度和线性，有兴趣的朋友会后可以跟我们来联系。对于伊萨拜棱辉特产品来说，我们有大家所需要所有质量方面的认证，除此之外，我们的产品可以用于航空和航天。

最后一点的时间来看一下我们主要的应用领域，我们在全球最大的应用是在汽车，汽车里所有与动力、传动、安全和BCM以及电池管理系统的运用中都无一例外的在使用我们的产品，现在马路上跑的每一辆汽车里面都可以找到我们的产品的影子。我们在全球最大的客户是德国的罗伯特•博世，除此以外，我们在工业电子，像大家很熟悉的IGBT的模块，（1：43：32）是我们最大的客户，我们在它的模块里面做均流和保护的电阻器。大家所熟悉的所有全球电源业的前10名，像艾默生、腾讯、伊顿无一例外的都是我们的客户。在驱动技术方面，我们的驱动技术指的是变频，像变频空调东芝、格力、美的都是我们的客户。变频器，像西门子这些全球顶尖变频器制造商都在使用我们的分流器。电表在中国是唯一我们没有业务的领域，测试仪器，比如今天的会场中我们看到的众多的测试仪器，绝大部分都在使用我们的电阻，用于数字多用表的电流档的测量。

 

看一下我们在全球部分代表性的客户，汽车电子，像意大利的（马优利）、法利奥、（天河、里尔），这是德国的科士达、江森自控、博士。在测试仪器方面，福禄克，中国的（普联京列），在空调方面东芝、格力等等都是我们在全球和中国主要的客户。希望我下一次的演讲中，这里面能够出现各位公司的名字，北京基创技创卓越电子有限公司是德国伊萨拜棱辉特在中国的代表，我们在长春、北京、上海、武汉、重庆和深圳有我们的销售办公室。未来大家所有的技术和商务方面的支持都可以直接联络我们，我们今天的展位在B124125，大家可以去那边看一下实物样品，以及可以拿一些更为详尽的技术资料，谢谢各位！

本文整理自 2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问http://www.52solution.com/data/datainfo/id/5174