【个人经验分享】电流采样电阻,不要只关注精度和功率

介绍一下电阻式电流采样方式与采样电阻选择 :face_savoring_food:

高端检测:将一个采样电阻Rs串联在电流通路中,采样电阻靠近电源VCC侧,电流I流过采样电阻会产生压差,用电流采样放大器放大放大A倍后得到一个电压Vout,Vout=I*Rs*A,MCU的ADC读取这个电压Vout,用Vout就可以反算出流过通路的电流大小。由于采样电阻放置在靠近VCC侧,因此称为高端电流检测

低端检测:将一个采样电阻Rs串联在电流通路中,但采样电阻靠近电源GND侧,由于电阻Rs一端接地此种方式不需要读电阻两端的电压,只需要读电阻Rs上端电压,因此只需要普通的放大器用同向放大电路就可以完成。Vout=I*Rs*R2/R4,单片机读取Vout电压即可反算出通过负载的电流大小。

两种方式主要不同是共模输入电压不同,高侧方式共模输入电压接近电源电压,因此其非常高,假设负载供电是12V,而运算放大器是3.3V供电,那就需要专门的共模输入电压高于12V的电流感应放大器。而低侧方案其共模输入电压接近GND,所以其共模输入电压较低,选择普通运放即可。

    但是低侧方案也有自己的缺点,它可能导致接地环路问题,如下图所示,被监测负载的负端在GND的基础上叠加了Rs的压降,而其他负载的负端接GND,两者不共地,同时,当被监测负载在PCB上直接与GND短路时,电流不经过通路1和2而是直接通过电流通路3,此时系统监测不到负载短路情况。而高侧方式不存在这种问题,因此需要权衡后选择方案。       

电流检测电路基本拓扑如上,但是实际应用中还需要添加一些器件来保持采样稳定准确,下图是扩展后的电路,加入了两个电阻和三颗电容,两个接地电容C1和C2是将两根线路的共模干扰滤除,两个电阻R1和R2以及中间电容CF构成滤波器进行滤波,滤除高频噪声后的电流会更加稳定,而滤波器截止频率需要根据带测电流频率来确定

PCB走线:

下图是一般的布线方式,如图中蓝色线示意的路径,此种方式的电流感应放大器IC的正负输入端等效电压包括采样电阻Rs的压降和两个焊盘上的压降,且焊盘锡量会影响焊盘等效电阻,因此此种方式在大电流高精度时误差较大,甚至能导致百分之五以上的误差。

推荐的PCB布线方式(开尔文连接):

由前文所述增益公式可知,电阻Rs影响电流采样精度,一般会根据精度需要采用1%或者0.1%精度的采样电阻,另外也会为了减小发热会选用合适封装。但是另外还有一个容易被忽视的因素可能会对精度造成负面影响。

那就是——温漂

这里举两个例子,同样的0.1R,1%,1206封装,一个温漂是75ppm/℃,另一个温漂是800ppm/℃,整整差了10倍!那么800ppm/℃意味着什么呢,字面意思是温度每变化 1℃,电阻值相对于原始值的变化是 百万分之八百(0.08%),那么假设电阻发热后温升50℃,那么电阻误差将会增大4%!远超原本的标称值1%。

那么如何能减小温漂造成的误差呢?

软件校准:

  • 适用场景: 环境温度相对稳定,或者电流是间歇性的(发热不持续)。

  • 局限: 如果负载电流剧烈变化导致电阻瞬间发热(自热),温度在不断波动,软件很难实时校准。

选用更大封装(减小发热):

  • 原理: 1206 封装换成 2512 封装,热阻更低,同样功率下温升更小。

  • 效果: 这是治本的方法之一,直接降低了温升,也就降低了温漂的绝对值。

买温漂更低的采样电阻:

  • 这是最根本的解决办法。

  • 普通厚膜电阻的温漂确实可能在几百到1000ppm,而精密金属箔或锰铜/康铜合金采样电阻,温漂可以做到 ±15ppm 甚至 ±5ppm。