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毫欧姆电阻在汽车电子系统中的应用 对于电流检测，过去的二十年间两种不同原理的检测方法占据着这个市场，基于磁场的检测 方法和基于分流器的检测方法。基于磁场的检测方法（以电流互感器和霍尔传感器为代表） 具有良好的隔离和较低的功率损耗等优点，因此主要在驱动技术和大电流领域被电子工程师 们选用，但它的缺点是体积较大，补偿特性、线性以及温度特性不理想。 在过去的几年间，由于小体积的高精度低阻值电阻器的实用化，以及数据采集和处理器性能 的大幅度提升，已经导致传统的基于分流器的电流检测方法的技术革新，并使新的应用成为 可能，这在十年前，是无法想象的。 车身电子控制系统的工作电流大多在 1-100A 之间，在特殊情况下（例如氧传感器加热）， 会有短时间 200-300A 的电流，车辆的启动电流甚至高达 1500A。在电池和电源管理系统中， 还有更极端的情况，车辆运行时持续电流为 100-300A，而在静止状态，电流只有几毫安， 这也需要被精确检测出来。 基本原理 根据欧姆定律，当被测电流流过电阻时，电阻两端的电压与电流成正比。当 1Ω的电阻通过 的电流为几百毫安时，这种设计是没有问题的。然而如果电流达到 10-20A，情况就完全不 同，因为在电阻上损耗的功率 2 就不容忽视了。我们可以通过降低电阻阻值来降低功 (P= I xR) 率损耗，但电阻两端的电压也会相应降低，所以基于取样分辨率的考虑，电阻的阻值也不允 许太低。 通常，下面的公式适用于计算电阻两端的电压： U=RxI+Uth+Uind+Uiext+，其中 Uth 是热电动势，Uind 是感应电压，Uiext 是 PCB 引 线上微小电流引起的压降。 其中与电流无关的因素而导致的误差电压能够直接影响到测量的精度，因此设计者应该了解 这些因素并通过精心的电路板布局，尤其是选择合适的元件来降低相关的影响。 很多种导电材料可以用来制造电阻，但是这样的元件并不太适合做电流取样。因为电阻阻值 与温度，时间，电压和频率等参数有关，R=R (T, t, P, Hz, U, A, µ, p,)。 理想的电流检测电阻应该完全与这些参数无关，当然这样的电阻是不存在的。实际的电阻特 性见表 ，包括温度系数 ，长期稳定性，热电动势，负载能力，电感和线性度，其中的 1 TCR 部分特性由材料本身决定；部分特性由元件设计决定，还有一些参数决定于生产制程。 1 早在 1889 年，Isabellenhütte 公司发明了精密电阻合金锰镍铜（Manganin ），其优良的特 性奠定了精密测量技术的基础，后来该公司又发明了 Isaohm 和 Zeranin ，它们的电阻系数 分别达到 132µΩxcm 和 29 µΩxcm ，使电阻合金的家族更加完善，所有这些合金都极大地满 足了全球对电阻材料的需求并且长期被精密电阻厂商成功应用。 过去 25 年，为了应对基于磁场的电流检测方法的发展，Isabellenhütte 公司致力于通过对分 流器电阻进行物理优化进而扩展分流器的电流检测的量程。与此同时，半导体公司已经改进 了运算放大器的诸多特性比如漂移，温度系数和噪声，这促使电子工程师可以在设计中选用 毫欧级阻值的分流电阻，解决了大电流条件下的高功率损耗问题。但随之而来的代价是因为 干扰和热电效应等因素而引起的相关误差也大大增加，因此降低寄生电感和抑制热电动势就 显得特别重要。 温度系数 图 1 是锰镍铜合金电阻的典型温度特性曲线，温度系数 TCR 单位为 ppm/K，在 20 或 25°C 时，TCR= ［R(T)-R(T0)］/R(T0) ×(T-T0)，对于温度系数的定义，制造商标明温度的上限 是必要的，举例说明在+20 -+60°C 的温度范围内，测量系统经常选用TCR 为几百个ppm/K 的 低阻值的厚膜电阻器，图 1 中红色曲线表示TCR 为 200 ppm/K 的电阻器的温度特性，即使 在如此小的范围内，+50°C 的温度变化就足以导致阻值变化超过 1%，这样的电阻是不能用 于精确电流测量的，有些测量设备制造商甚至使用 PCB 走线的铜膜作为电流取样电阻，铜的 TCR 是 4000 ppm/K(or 0.4%/K) ，2.5°C 的温度变化就足以造成 1%的误差。 2