干貨 使用分流電阻器測量電流

分流電阻器是一種插入電路中測量電流的精密元件。在使用靈敏表頭測量電流的電流表中，將分流電阻器與表頭并聯(lián)，就可以將部分電流從表頭中“分流”出去。如今，一般通過將電阻器插入電路來進行“分流”，電阻器會相應地小幅降低電路中的電流電壓。然后可以使用電壓表或示波器測量該電壓降，并利用歐姆定律將測得的電壓除以電阻值，即可計算得出流經電路的電流。

圖 1 可將已知電阻值的分流電阻器與負載串聯(lián)，用以測量負載中的電流。通過測量已知分流電阻器兩端的電壓降，即可利用公式 I = V/R 計算出電流。

分流電阻器的類型
分流電阻器、電流感應電阻器和電流觀察電阻器的工作原理相同，但其性能和預期用途可能有所不同。CVR，即電流觀察電阻器，是分流電阻器的另一種說法。通常是指低值分流電阻器，具有受控的頻率響應和非常準確的電阻，適用于精密動態(tài)測量應用。雖然 CVR 可以用于產品設計，但更常用于原型設計或提供臨時測試點。CVR 通常配備包含寄生元件的軟件模型，便于進行精確模擬。
如上所述，電流感應電阻器也可用作分流電阻器，但該術語通常指作為產品設計組成部分的電阻器?？膳c放大器結合，用于測量電阻器兩端的電壓降?？山Y合的放大器既可以是獨立的電流感應放大器，也可以是處理信號調節(jié)、隔離和模數(shù)轉換的完全集成的功率監(jiān)測集成電路。
分流電阻器的特性
分流電阻器通常設計為低電阻，以最大限度地減少電壓降，并盡可能減少通過焦耳效應散熱而產生的 I2R 功率損耗。分流電阻器必須具有足夠的額定功率來承載被測電路中的電流。與任何其他組件一樣，分流電阻器并不是“最佳”選擇，因為電感會減少電流變化，因此串聯(lián)電感是一個重要的考慮因素。
設計用于交流測量的分流電阻器通常采用扁寬外形。由于趨膚效應，交流電主要在導體外表面流動。因此，設計人員通常選擇扁寬導體來優(yōu)化表面積，保持較小的交流阻抗。
由于分流電阻的阻值可能非常小，以至于與連接線和接觸電阻的阻值相當。因此，一些分流電阻器設計了四個端子，以實現(xiàn)開爾文連接。這種設計在電流和電壓電極之間提供了物理分離，消除了連接線和接觸電阻對測量的影響。實際上，分流電阻器的兩個端子用于傳輸電流，另外兩個端子用于連接電壓表。由于電壓表具有較高的輸入阻抗，所以能夠有效地消除流過電壓測量端子的電流，最大限度地減少了電壓連接中任何電阻的影響。
對設計工程師來說，為 PCB 設計選擇合適的分流電阻器是一項重要任務。在設計過程中，尤其是為大規(guī)模生產進行設計時，他們通常需要在電氣性能、封裝尺寸、功率等級甚至單價之間做出權衡。
為幫助您選擇合適的分流電阻器，以下列出了一些關鍵考慮因素。
準確度和公差：所需的測量精度決定了組件選擇的具體范圍。對于精確測量，應選擇公差?。ā?.1% 或更?。┑碾娮杵?。在敏感應用中，較大的公差可能會引入誤差。
寄生電感：在高頻電流或電流變化快的測量中，一定要考慮電感。低電感電阻器非常適合這種應用場景，因為它們最大限度地減少了可能的測量誤差，確保信號干凈、準確。
溫度系數(shù)：必須確保電阻器具有較低的溫度系數(shù) (TCR)，這樣即使在溫度波動的條件下，也能保持電阻器的穩(wěn)定性。溫度系數(shù)通常與功率耗散因素有關。
電流范圍/額定功率：電流范圍和功率額定值均需考慮。最大電流范圍以及電阻值將決定最大功率耗散。此外，還必須考慮要測量的最小電流差，確保分流電阻器足夠大，以產生可測量的電壓降。功率等級通常會決定電阻器的尺寸和外形。
物理尺寸和外形：無論您需要的是表面貼裝設計還是通孔設計，您選擇的電阻器都應該滿足上述條件，且適合您的系統(tǒng)可用空間。
分流電阻器的應用
分流電阻器具有設計簡單、成本低和性能高的優(yōu)點，因此適用于各種應用。它們廣泛應用于以下領域：
? 常規(guī)測試與測量：分流電阻器可以嵌入電流表，也可以作為外部設備與被測負載串聯(lián)。
? 電源和工業(yè)設備：用于電流監(jiān)測和故障檢測。
? 電機驅動和控制系統(tǒng)：用于測量和調節(jié)電流，優(yōu)化性能。
? 電動汽車：高精度監(jiān)測充電和放電電流。
? 移動設備：電流感應電阻器通常用于監(jiān)測低電流設備的電流消耗。
分流電阻器在電路中的放置位置
在大多數(shù)應用中，應將分流電阻器的一個引腳放置在靠近地線一側（通常稱為“低邊電流感應”）。這種做法將降低施加到用于測量分流器的電壓表的共模電壓。設計人員必須注意，測量的返回路徑不能與交流信號路徑共享，也不能與交流信號路徑耦合，因為交流信號會在測量中引入噪聲。
在某些情況下，將分流電阻器接地可能無法實現(xiàn)或者不可取。例如，最近汽車電源設計師考慮了將分流器直接連接到電源的優(yōu)勢，這種配置可以使他們快速檢測下游路徑上的潛在故障，從而有機會保護電路。這當然意味著分流器必須插入不接地的節(jié)點，因此應特別注意觀察用于測量電壓降的測量系統(tǒng)的共模電壓規(guī)格。

圖 2  如果可能，分流電阻器（例如該電路中的下方電流觀察電阻器 (CVR)）應接地。這將最大限度地減少共模電壓，同時允許連接接地參考探頭。測量上方 CVR 時，需要進行具有高共模抑制的差分測量。

測量儀器以及使用分流電阻器測量電流
一般來說，分流電阻器通過產生較小的可測量電壓降來實現(xiàn)電流的準確測量。要準確測量電壓降，需要使用電流表、數(shù)字萬用表 (DMM) 和示波器等儀器。
電流表和 DMM 是測量直流電和交流電的最佳選擇。它們是對交流和直流電源進行快速準確測量的首選工具。用于電流測量的儀表內部通常嵌入一個或多個分流電阻器。使用不同的電阻器可以實現(xiàn)多種電流范圍。某些測量設備的測量結果極其精準，例如，Keithley DMM7510 精密臺式萬用表可以測量 pA (1x10-12 A) 級別的直流電和 nA (1x10-9 A) 級別交流電。大多數(shù) DDM 可以輕松地對 50/60 Hz 的信號進行 RMS 測量，有些甚至可以測量高達幾千赫茲的信號，但是測量導線通常在低于 1 MHz的頻率下就達到其測量上限。

圖 3  DMM 具有內置分流電阻器，用于準確測量電流。這款 Keithley DMM7510 可以測量 pA (1x10-12 A) 級別的直流電。請注意右下角的 3 A 電流輸入端口，該輸入端口連接到其中一個內部分流電阻器。此 DMM 的背面還提供 10 A 輸入端口。

從歷史上看，模擬電流表（或稱為檢流計）通過讓電流流過一個線圈來感應電流，該線圈位于一個靈敏的儀表運動裝置中。在這些儀器中，分流電阻器被用作分流器，通過將電流“分流”至遠離運動的地方，從而使儀表能夠測量更高的電流。盡管大多數(shù)現(xiàn)代儀器測量的是分流電阻器兩端的電壓降，但“分流”這個術語仍然保留了下來。
數(shù)字萬用表 (DMM) 能夠測量電壓、電阻和電流。DMM 通常具有一個或多個內置分流器，用于測量交流或直流電流。在交流或直流電壓模式下，DMM 還可以測量外部分流電阻器兩端的電壓降。使用帶分流電阻器的 DMM 時，萬用表連接在兩側電阻端子上，用以測量電壓降并顯示相應的電流值。DMM 非常適用于準確讀取低電流和高電流電路中的電流，因此應用非常廣泛。
電流表專為測量電流而設計，非常適合需要連續(xù)監(jiān)測電路電流的應用。電流表通常內置于電源或其他設備中，用于實時反饋。
使用示波器測量電流
對于直流和低頻交流電流測量，示波器通常不如 DMM 準確，但對于測量兆赫茲級頻率的瞬態(tài)和快速變化電流，示波器非常有用。示波器還可以讓工程師直觀地看到被測設備中電流相對于其他活動和參數(shù)的情況，其他活動和參數(shù)包括電壓、開關事件、傳感器信號和控制信號。該功能在測試高速數(shù)字系統(tǒng)、牽引逆變器和電源等系統(tǒng)時特別有用，因為這些系統(tǒng)中的電流會隨著負載的變化而迅速上升或下降。
要測量電流，示波器必須配備能夠將電流轉換為電壓的探頭。電流轉換可以基于磁傳感器，也可以基于分流電阻器。兩種方法均可為示波器提供電壓信號，且電壓信號可數(shù)字化并隨時間變化進行顯示。

圖 4  示波器可以使用鉗式電流探頭來測量電流，也可以通過測量分流電阻器兩端的電壓降來測量電流。在此示例中，電阻器未接地，因此使用了分流電流探頭。

磁電流探頭
互感器、羅氏線圈和霍爾效應探頭與示波器協(xié)同工作，無需斷開電路即可測量電流。互感器和羅氏線圈僅可用于測量交流電。因此，示波器的交流/直流電流探頭將互感器作用與霍爾效應傳感器結合在一起。如果可以在待測設備中設計或作為臨時測試點加入一段導線或母線，使用此類探頭則方便且有效。然而，即使是 TCP0030A 等高性能鉗式電流探頭，也有測量限制，最大可測量 120 Mhz 的電流，最小可測量 mA 級別的電流。盡管采用磁探頭測量時不需要“斷開電路”，但一定要記住，磁探頭確實會給被測電路引入感性負載，這在高頻測量時尤為顯著。在 120 Mhz 的頻率下，TCP0030A 的插入阻抗為 0.85 Ω。
分流電阻器兩端的電壓降
測量已知電阻器兩端的電壓降是一種測量電路電流的直接方法。被測設備內任何已知低值串聯(lián)電阻均可用作電流測量分流器。也可以通過插入適當額定值的電阻器與負載串聯(lián)，以添加測試點。如果示波器具有測量縮放功能（通常位于探頭菜單中），則可以將電壓讀數(shù)除以恒定電阻值來換算出電流值。
? 如上所述，理想情況下，分流電阻器的一個引腳應接地。如果電阻器的一條引腳接地，則可以使用無源接地參考探頭。如果電阻器的一個端子不能接地，則應使用差分電壓探頭。即使使用差分探頭，也最好將分流電阻器放置在靠近接地的位置，以盡量減少共模電壓。
? 分流器的電阻必須遠小于示波器或探頭的電阻。
? 對于高頻測量，分流電阻器的寄生電容和電感將產生影響，因此，應使用專為高頻應用而設計的感應電阻器或 CVR。
雖然無源探頭和差分電壓探頭可用于測量分流電阻器兩端的電壓波形，但也有一些缺點：
? 通常會衰減信號，導致信噪比降低。
? 高輸入阻抗和分流電容會影響噪聲性能。
? 對于無法接地的分流器
? 不能使用無源探頭
? 差分探頭可能無法提供足夠的共模電壓抑制
? 共模抑制通常不足以防止噪聲

圖 5  TICP 系列 IsoVu 隔離電流探頭設計用于對浮地分流電阻器進行高帶寬、低噪聲電流測量。

使用隔離電流探頭
在必須嚴格控制噪聲的情況下，可以使用特殊電流分流探頭。泰克 TICP 系列 IsoVu?隔離電流探頭就是能夠滿足此類特殊要求的系列探頭。這些探頭專門設計用于對分流電阻器兩端進行低噪聲、高帶寬的電流測量。全新 TICP 系列隔離電流探頭包括以下主要特性：
? 帶寬分為 250 MHz、500 Mhz 和 1 GHz
? 與 1X 尖端一起使用時，衰減較低，輸入阻抗為 50 Ω。能夠最大限度地提高信噪比。
? 具有超過 1000 V 的共模電壓，適用于高壓電源轉換器。遠高于常規(guī)差分電壓探頭。
? 1 MHz 時共模抑制比為 90 dB，顯著高于常規(guī)差分探頭。
分流電阻器相對于磁傳感器和霍爾效應傳感器的優(yōu)缺點
與使用磁傳感器和霍爾效應傳感器相比，使用分流電阻器測量電流具有以下優(yōu)點：
1)準確：分流電阻器提供高度準確的電流測量，并且通過設計可最大限度地減少對被測電路的影響。由于分流電阻器本質上是電流電壓轉換器，因此測量準確度取決于以下兩個因素：用于測量分流器兩端電壓降的儀器的精度，以及電阻值的穩(wěn)定性。
2)成本低：與磁傳感器和霍爾效應傳感器等其他電流測量儀器相比，分流電阻器成本低且易于實現(xiàn)。
3)多功能：同時適用于低電流和高電流系統(tǒng)，具體取決于材料和結構。
使用分流電阻器測量電流具有以下主要缺點：
1)斷路：與磁傳感器和霍爾效應傳感器不同，分流電阻器必須插入被測電路。對于有線連接，這很簡單——電阻器可以直接串聯(lián)在電路中。而對于電路板，為了避免不得不切斷電路走線，必須設計有測試點。
2)電壓降：在電源和負載之間放置分流電阻器會降低負載可用的電壓。
3)功率耗散：分流電阻器的功率耗散與電流的平方成正比 (P = I2R)。