毫歐姆電阻在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在過去的幾年間，由于小體積的高精度低阻值電阻器的實用化，以及數(shù)據(jù)采集和處理器性能的大幅度提升，已經(jīng)導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于分流器的電流檢測方法的技術(shù)改革，并使新的利用成為可能，這在十年前，是無法想象的。

　　車身電子把持系統(tǒng)的工作電流大多在1-100A之間，在特別情況下(例如氧傳感器加熱)，會有短時間200-300A的電流，車輛的啟動電流甚至高達1500A。在電池和電源管理系統(tǒng)中，還有更極端的情況，車輛運行時持續(xù)電流為100-300A，而在靜止狀態(tài)，電流只有幾毫安，這也需要被正確檢測出來。

　　基礎(chǔ)原理

　　根據(jù)歐姆定律，當被測電流流過電阻時，電阻兩端的電壓與電流成正比。當1W的電阻通過的電流為幾百毫安時，這種設(shè)計是沒有問題的。然而如果電流達到10-20A，情況就完整不同，因為在電阻上損耗的功率(P=I2xR)就不容疏忽了。我們可以通過降低電阻阻值來降低功率損耗，但電阻兩端的電壓也會相應(yīng)降低，所以基于取樣分辨率的考慮，電阻的阻值也不容許太低。

　　通常，下面的公式實用于計算電阻兩端的電壓：

　　U=RxI+Uth+Uind +Uiext+......

　　其中Uth是熱電動勢，Uind 是感應(yīng)電壓，Uiext是PCB引線上渺小電流引起的壓降。

　　其中與電流無關(guān)的因素而導(dǎo)致的誤差電壓能夠直接影響到測量的精度，因此設(shè)計者應(yīng)當懂得這些因素并通過精心的電路板布局，尤其是選擇合適的元件來降低相干的影響。

　　很多種導(dǎo)電材料可以用來制作電阻，但是這樣的元件并不太合適做電流取樣。因為電阻阻值與溫度，時間，電壓和頻率等參數(shù)有關(guān)，R=R (T，t，P，Hz，U，A，m，p，...)。

　　表1 實際的電阻性能或多或少都和它的基礎(chǔ)材料以及生產(chǎn)制程有關(guān)

　　理想的電流檢測電阻應(yīng)當完整與這些參數(shù)無關(guān)，當然這樣的電阻是不存在的。實際的電阻特點見表1，含溫度系數(shù)TCR，長期牢固性，熱電動勢，負載能力，電感和線性度，其中的部分特點由材料本身決定;部分特點由元件設(shè)計決定，還有一些參數(shù)決定于生產(chǎn)制程。

　　早在1889年，德國Isabellenhuette公司創(chuàng)造了精密電阻合金錳鎳銅(Manganin)，其精良的特點奠定了精密測量技術(shù)的基礎(chǔ)，后來該公司又創(chuàng)造了Isaohm 和 Zeranin，它們的電阻系數(shù)分辨達到132mW xcm和29mW xcm，使電阻合金的家族更加完善，所有這些合金都極大地滿足了全球?qū)﹄娮璨牧系男枨蟛⑶议L期被精密電阻廠商成功利用。

　　過去25年，為了應(yīng)對基于磁場的電流檢測方法的發(fā)展，Isabellenhuette公司致力于通過對分流器電阻進行物理優(yōu)化進而擴大分流器的電流檢測的量程。與此同時，半導(dǎo)體公司已經(jīng)改良了運算放大器的諸多特點比如漂移，溫度系數(shù)和噪聲，這促使電子工程師可以在設(shè)計中選用毫歐級阻值的分流電阻，解決了大電流條件下的高功率損耗問題。但隨之而來的代價是因為干擾和熱電效應(yīng)等因素而引起的相干誤差也大大增長，因此降低寄生電感和克制熱電動勢就顯得特別重要。

　　溫度系數(shù)

　　圖1 是錳鎳銅合金電阻的范例溫度特點曲線，溫度系數(shù)TCR單位為ppm/K，在20或25℃ 時，TCR=[R(T)-R(T0)]/R(T0) ×(T-T0)，對于溫度系數(shù)的定義，制作商標明溫度的上限是必要的，舉例闡明在+20 -+60℃的溫度領(lǐng)域內(nèi)，測量系統(tǒng)經(jīng)常選用TCR為幾百個ppm/K 的低阻值的厚膜電阻器，圖1中紅色曲線表現(xiàn)TCR 為200 ppm/K的電阻器的溫度特點，即使在如此小的領(lǐng)域內(nèi)，+50℃的溫度變更就足以導(dǎo)致阻值變更超過1%，這樣的電阻是不能用于正確電流測量的，有些測量設(shè)備制作商甚至利用PCB走線的銅膜作為電流取樣電阻，銅的TCR是4000 ppm/K(or 0.4%/K)，2.5℃的溫度變更就足以造成1%的誤差。

　　圖1 錳鎳銅合金電阻的范例溫度特點曲線

　　熱電動勢

　　當溫度輕微升高或者降低時，在不同材料的接觸面上會產(chǎn)生熱電勢，這種效應(yīng)對低阻值電阻的影響非常重要，盡管通常情況下熱電勢數(shù)值非常小，但微伏級的熱電勢能夠嚴重地影響測量成果。

　　直到今天，電阻合金康銅依舊是繞線和沖壓分流器(在片狀材料上進行模壓)的重要材料，盡管它有良好的TCR，但其對銅的熱電勢高達40mV/K。例如，利用1毫歐的分流電阻檢測4A電流，10℃的溫差就能產(chǎn)生400mV的電壓差，相當于測量成果誤差增大了10%。更嚴重的情況是，假如考慮到電阻尺寸，經(jīng)常被疏忽的珀爾帖效應(yīng)(Peltier effect)可以通過接觸面之間的相互加熱或降溫作用，將溫差增大到20℃以上(非常極端的例子是焊接部位融化)。即使被測電路工作在恒定電流狀態(tài)下，由于珀爾帖效應(yīng)(Peltier effect)而產(chǎn)生的溫差也會導(dǎo)致有電壓存在，顯示電流是不恒定的。關(guān)斷電流之后，在溫差消散之前，測量成果會顯示有明顯的電流存在，根據(jù)設(shè)計和阻值的不同，電流誤差能有幾個百分點或達到幾個安培。而前面提到的精密電阻合金的熱電特點和銅非常接近，金屬和金屬的接觸面不會產(chǎn)生熱電壓，設(shè)計者甚至可以疏忽珀爾帖效應(yīng)(Peltier effect)。比如利用一只0.3mW的電阻，產(chǎn)生的熱電壓小于1mV，在關(guān)掉100A電流的時侯，熱電勢產(chǎn)生的電流小于3mA。

長期牢固性 對EMI形成的感應(yīng)電壓很敏感