【導(dǎo)讀】你是否曾經(jīng)將新的設(shè)計(jì)或元器件方案視為一種改進(jìn)的有益的替代方案，但后來卻發(fā)現(xiàn)它也有出乎意料的缺點(diǎn)？這些負(fù)面因素是你可以做更多的功課來預(yù)估并更有效評(píng)估的？還是故意或只是由于情況復(fù)雜而被埋得很深的？
用于測(cè)量負(fù)載電流的標(biāo)準(zhǔn)方法之一是在負(fù)載線中插入一個(gè)低阻值的電阻，然后檢測(cè)其兩端電壓，如圖1所示，接下來就是歐姆定律的模擬或數(shù)字實(shí)現(xiàn)。
圖1：(a)可以將電流檢測(cè)電阻放置在電源軌和負(fù)載之間(高側(cè))，或(b)放在負(fù)載和地之間(低側(cè))。高側(cè)檢測(cè)更難實(shí)現(xiàn)，但其在許多情況下具有顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。（圖片來源：ADI）
與許多工程決策一樣，選擇使用什么電阻值是一種權(quán)衡。高阻值電阻會(huì)在其兩端產(chǎn)生較高的IR壓降和電壓，從而簡(jiǎn)化電壓檢測(cè)并提高信噪比(SNR)。然而，這卻會(huì)減少可能流向負(fù)載的功率，而且這種耗散也可能導(dǎo)致電阻自熱，從而帶來漂移和可靠性問題。
相比之下，低阻值電阻可以最大限度地降低這種壓降，但卻會(huì)帶來精度和SNR問題。較低的壓降也會(huì)受到檢測(cè)放大器電路(這類應(yīng)用幾乎總是采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì))中缺陷的影響，因?yàn)槠渲写嬖谥斎腚妷浩坪推秒娏骷捌潆S后與溫度相關(guān)的漂移——它們?nèi)伎赡芷茐臋z測(cè)值而使其超出允許范圍。
一般來說，最好使用低阻值的電阻，這樣其相關(guān)的壓降和功耗就較低，總體上就更好，但這只能達(dá)到一定程度。其基礎(chǔ)指導(dǎo)原則是以最大電流下產(chǎn)生100mV壓降來確定電阻的大小。對(duì)于許多應(yīng)用，采用快速V=IR計(jì)算，就可將電流檢測(cè)電阻的值設(shè)置在1到10mΩ之間。然而，在低壓應(yīng)用中，即使是適度的100mV壓降以及相關(guān)耗散，也可能超出可接受范圍。
近年來，用于讀取檢測(cè)電阻兩端電壓的精密低壓運(yùn)放的出現(xiàn)，使得低于1mΩ的電流檢測(cè)電阻應(yīng)用成為可能。諸如TI INA185和ADI AD8417等運(yùn)算放大器，都具有超低電壓偏移和偏置電流以及低溫度系數(shù)，因此使用這種低歐姆電阻就很實(shí)用。
然而，幾乎每次有了新的進(jìn)展也會(huì)帶來一連串新的考慮和顧慮。我曾經(jīng)讀過TT Electronics的業(yè)務(wù)開發(fā)工程師Stephen Oxley寫的一篇應(yīng)用筆記，文中討論到使用這些低歐姆值電流檢測(cè)電阻時(shí)，如何克服其固有的挑戰(zhàn)(圖2)。
圖2：來自TT Electronics LRMAP3920系列貼片電阻的尺寸約為5×10mm，可提供0.2-3mΩ的電阻值。（圖片來源：TT Electronics）
在這篇名為“克服使用sub-mΩ SMD的挑戰(zhàn)”(Overcome the Challenges of Using Sub-Milliohm SMD)文章中，他解釋了使用這些電阻不同于甚至是mΩ級(jí)電阻的許多方式，以及不恰當(dāng)?shù)厥褂脤⑷绾螌?dǎo)致其精度、一致性甚至可信度受到影響等等。
該應(yīng)用筆記提供了在使用sub-mΩ檢測(cè)電阻時(shí)需要注意的三個(gè)方面：
如何以及為何要將這些sub-mΩ芯片視為一種單獨(dú)的元器件類別，而不僅僅是低阻值版的mΩ版本。
在元器件選擇和PCB 布局設(shè)計(jì)時(shí)如何避免陷阱。
在每個(gè)階段量化和最小化誤差和變化的方法。
在眾多細(xì)節(jié)中，還有幾乎要強(qiáng)制使用四線開爾文連接相關(guān)的問題，以及其連接位置和方式的細(xì)微差別如何影響性能等問題；預(yù)估和適應(yīng)由不同金屬結(jié)點(diǎn)的熱電效應(yīng)所產(chǎn)生的電壓差；整個(gè)檢測(cè)元器件的電流通路和電壓檢測(cè)回路；使用多個(gè)并聯(lián)電阻來降低凈電阻或增加額定處理功率的不同方法(圖3)；當(dāng)然，還有不可避免的散熱考慮。簡(jiǎn)而言之：當(dāng)檢測(cè)電阻本身為sub-mΩ時(shí)，電阻到電路的通路和接觸電阻將成為問題的重要組成部分。
圖3：在使用超低阻值的電阻時(shí)，即使是使用兩個(gè)并聯(lián)電阻的簡(jiǎn)單原理，也會(huì)在電流通路方面帶來微妙的布局考慮。（圖片來源：TT Electronics）
我并不會(huì)對(duì)這篇文章進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)，對(duì)你來說自己讀過才更有意義。請(qǐng)注意，這篇文章幾乎完全是關(guān)于電阻、材料、端接和電流通路的，幾乎沒有提到任何相關(guān)的電子電路——這是另一個(gè)你必須計(jì)算誤差預(yù)算的地方。
再一次，最初看起來是個(gè)簡(jiǎn)單而有益的方案，實(shí)際上卻充滿了許多微妙之處以及錯(cuò)誤運(yùn)用新元器件的方法，從而否定了它可能提供的任何好處。畢竟，還有什么比檢測(cè)電阻和歐姆定律更基礎(chǔ)的呢？
更糟糕的是，我們實(shí)際上可能得到了較差的結(jié)果而卻渾然不知，還以為自己的讀數(shù)是準(zhǔn)確而又一致的，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)具有誤導(dǎo)性。這再一次證明了，說“這只是個(gè)簡(jiǎn)單的改變”或“一切都很好”的任何人，通常是個(gè)資深的經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，要不就是他在專業(yè)技能上的反面。
你是否曾經(jīng)將新的設(shè)計(jì)或元器件方案視為一種改進(jìn)的有益的替代方案，但后來卻發(fā)現(xiàn)它也有出乎意料的缺點(diǎn)？這些負(fù)面因素是你可以做更多的功課來預(yù)估并更有效評(píng)估的？還是故意或只是由于情況復(fù)雜而被埋得很深的？
(原文刊登于EDN美國(guó)版，參考鏈接：Sub-milliohm resistors bring current-sense benefits but also challenges，由Susan Hong編譯 )
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