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如何以较高精度测量分流电阻上的压降？资料下载
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2021-04-17
贾小龙
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作者：Srudeep Patil（Maxim Integrated技术团队主要成员）
引言:在必须测量电池流入或流出电流的应用中，超高精度、高边电流检测至关重要。现在，许多数字多用表采用4线开尔文测量方法，以消除多用表测量线的串联电阻，准确测量给定电阻上的电压降。类似地，电流监测器(CSM)或电流检测放大器(CSA)根据出入电池的电流测量分流电阻上的压降。
（图1. 开尔文男爵(1824-1907)肖像，休伯特·冯·赫科默(1849-1914)绘。）
在实际应用中据此确定负载从电池吸入的电流量。现在，系统功耗较小，需要高精度测量电池的剩余电量。为量化剩余的电量，就需要计算负载从电池吸收以及充电器充入到电池的每µA电流。所以，以极高精度测量分流电阻上的压降就至关重要。
本文讨论如何以较高精度测量分流电阻上的压降。我们将介绍超高精度CSM如何利用普通连接测量分流电阻上的压降，然后将该值与CSM数据资料中给出的精度指标进行比较。接着，我们探讨利用相同CSM来提高测量精度的方法。采用四端子检测电阻的成熟开尔文测量方法改进测量。结果也表明，应特别注意威廉希尔官方网站
板布局。遵循本文中给出的布局实践，我们可依赖开尔文测量方法，高精度测量检测电阻上的毫伏级压降。
开尔文电桥
在讨论超高精度CSM/CSA之前，我们首先将时间回溯，了解一位令人印象深刻的科学家及先锋工程师，开尔文男爵(图1)。开尔文男爵的创造性成就是许多电子原理的基础，而我们在日常生活中认为这些原理是理所当然的，比如说知道我们的手机什么时候需要充电。开尔文在测量极低电阻方面的工作方法仍然被现代化集成威廉希尔官方网站
(IC)所采用。实际上，利用早期的开尔文原理及一些数学方法准确测量电池容量时，就可以防止过冲或过放延长电池寿命。
按照今天的标准，开尔文桥等早期仪器的精度令人惊奇。
图2. 高精度测量极低电阻的早期开尔文电桥。
注意图2中间的方框图。左侧为电池，下方为四根引线。外侧的引线提供通过电阻X的电流，内侧的引线隔离测量威廉希尔官方网站
。通过图3更容易理解开尔文测量原理。
图3. 开尔文测量方法原理图。
通过将主电流通路与测量通路相隔离，开尔文提高了测量精度。图3中，被测量主电流从左上方的电池流过安培计(A)，在引线2和3之间的电阻“X” (底部的灰条)上产生电压降。由于电压计威廉希尔官方网站
(V以及引线2和3)的输入阻抗非常高，其中几乎没有电流通过，所以电压计的测量精度比较高。在安培计、电池电阻以及引线1至4组成的主威廉希尔官方网站
的所有部分，电流相同。然而，引线1和4产生串联电阻，从而在引线上产生有限的电压降。虽然电压降非常小，但也降低了精度。通过将主电流通路与测量通路相隔离，开尔文测量方法提高了测量精度。当然，如果已知三个参数(电压、电流和电阻)中的任意两个，我们即可计算得到第三个参数。
电流检测器的典型连接
图4所示为监测从电池流入至负载的电流的CSM连接。我们可能一开始认为图4中的连接没有错误。然而，该设计将实现不了CSA的±0.23%增益误差指标。设计问题实际上在于威廉希尔官方网站
板布局方面的缺点和原理图布局较差。
图4. 测量检测电阻压降的典型连接。例子中作为电流监测器的器件为MAX44286 CSA。
如果我们仔细研究图4所示的原理图布局并进行一些调整，能够保持电流监测器的直流精度参数，例如增益精度和输入失调电压。图中所示的电流监测器为MAX44286，采用4焊球晶圆级封装(WLP)，尺寸为0.78mm x 0.78mm x0.35mm。这些发现和建议也同样适用于任意高精度CSA。尽管我们这里的分析以MAX44286为例，但结果真实，也适用于所有高精度CSM。
我们首先用一个众所周知的公理分析图4：
在检测电阻压降为µV至mV级的高精度测量应用中，增益精度或增益误差是关键参数。所以：
所以，按照式2计算增益误差，得到：
增益误差(GE) =-0.23713148%
现在，这并不是我们所期望的CSM结果，因为该CSM的最大增益误差指标为±0.23%。
超高精度检测放大器的另一项重要指标是输入失调电压，由下式给出：
有一种方法可实现增益误差低于±0.2%以及较好的输入失调电压。请参见图5并注意其中比图4中的走线多一些。
图5. 两个输入、输出和接地焊球上均采用开尔文连接的威廉希尔官方网站
。再次以MAX44286 CSA作为 电流监测器。
如果您稍加留意，会注意到图5中使用了4端子电阻。4线开尔文配置支持通过两个端子施加电流，通过另外两个端子测量电压。该设计消除了端子的电阻和温度系数，电流测量的精度更高。同样，检测电阻端子的走线位于电阻焊盘的正下方，从而防止检测电阻上任何附加走线阻抗。
总结
我们可清楚看到，增益误差和输入VOS发生了明显变化。因此，CSA的超高精度测量性能依赖于测试夹具的布局和元件布置。如果我们使用图5所示的测量走线进行测量，测量结果精度非常高。在超高精度应用中，毫伏级的检测电压对于毫安级的检测电流非常重要。显而易见，必须严谨地布置每根走线。
从检测电阻端子到对应输入焊球的走线形状和长度必须对称。采用2端检测电阻也能提供较高精度的读数，在温度范围内为最大±0.23%。为了获得更高精度的结果，需要使用4端检测电阻。
所以，我们采用开尔文男爵的测量原理，保证了超高精度CSA的直流精度。高精度测量不仅依赖于良好的设计和CSA布局本身，也与威廉希尔官方网站
板布局息息相关。
参考
1. 杰出的科学家及工程师开尔文男爵原名威廉·汤姆森。威廉·汤姆森在10岁时进入格拉斯哥大学，15岁时的一篇论文获得金牌，这是他一生中众多奖项中的第一项。剑桥大学数学专业毕业之后，威廉·汤姆森受聘成为格拉斯哥大学教授。威廉·汤姆森是当时公认的全球科学家先锋，发表了600多篇论文。汤姆逊受封为爵士，就是后来著名的开尔文男爵。开尔文男爵肖像请参见以下网址： 。
(mbbeetchina)
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