世平安森美電流檢測放大器並聯電阻之探討

電流檢測放大器並聯:診斷並聯電阻連接誤差

診斷並聯電阻連接誤差,是大部分客戶在使用電流檢測放大器時最常見的問題,而其中一個最重要因素是:電流檢測放大器實際上是在檢測其差分輸入端的電壓電位,並且精確地放大了電壓,而不是電流。利用測量的輸出電壓、放大器增益、參考電壓和並聯電阻的值,可以計算出流過並聯電阻器的電流,完整公式如下:




以下幾點及下面的決策流程圖(Decision Tree Figure)可用於診斷任何電流檢測放大器電路的分流測量誤差。

  1. 電流檢測放大器是電壓放大器
  2. 在放大器輸入引腳處直接測量電壓。 結果可以不同於在電阻器兩端測量的結果
  3. 放大器輸出應是直接測得的輸入端電壓(VShunt)乘以放大器增益
  4. 多數問題被證明與分流和並聯有關



通過使用下面的除錯表格(Debug Table),我們可瞭解到,直接在放大器輸入引腳測量的電壓與直接在並聯電阻兩端測量的電壓不同,相差的量足以造成不可接受的誤差。 換句話說,放大器精確地放大了錯誤的電壓! 由於不良的PCB布局和並聯連接,輸出端的最終誤差可能很容易達到10%到15%或更多。



電流檢測放大器並聯:實現精確的分流電阻連接

在下圖1中,左邊為“理想(Ideal)”的分流電阻連接。 理想的連接使用長度和尺寸都一致和相同的走線。 這些走線連接到分流器製造商通常建議的分流處,最後由放大器測量或檢測的電壓正好對應於分流的有源部分的壓降。 右邊則為“非理想(non-ideal)”連接,明顯可見其走線差異。

(圖1,理想的 vs 非理想的分流電阻連接,圖片來源:onsemi))

為獲得最大的能效,有必要瞭解分流器的結構。 被焊入的分流器的端子通常是銅材料,與分流器本體是不同的材料,例如錳銅。分流器製造商正把這中間部分材料調節到一個確切的值,目的是準確的獲得電阻材料本身的壓降,並且在連接末端處沒有壓降。

而電流檢測應用的分流電阻器通常為兩個或四個端子。兩個端子的分流電阻器較容易理解,它的工作方式與任何雙端子電阻器工作方式相同。 電流流過雙端子分流電阻器,會在其端子上產生一個與通過電阻器的電流成正比例的電壓。



(圖2,雙端電流檢測電阻器的開爾文(Kelvin)連接可減少電阻器和電路板走線電阻引起的測量誤差。 右邊顯示的是雙端子分流電阻器實際圖片。 (圖片來源:Bourns))


而下圖3,則畫出了雜散引線電阻和雜散檢測走線電阻:  一個不適當的連接,將對測量增加不必要的雜散電阻和誤差。

(圖3,连接到双端子分流电阻的杂散电阻(RLead和RSense) ,圖片來源:onsemi)

圖4中所示的四端子分流電阻提供了一種更明顯的方法來連接開爾文(Kelvin)檢測線到分流器,同時保持了較高的準確度。 但需要注意的是,四端子分流電阻器在成本方面沒有優勢.

(圖4,製造商通常建議的四端子分流電阻的連接點,圖片來源:onsemi)



實現精確的分流電阻連接並不難,但這需要瞭解分流器製造商的連接建議和適當的PCB設計,以作出正確的連接。

 

 

電流檢測放大器並聯:並聯電阻正確連接對比錯誤連接

當進行並聯連接時,遵循連接到並聯電阻的建議。 連接線長度尺寸應相同並盡可能短。 確保電流檢測放大器和並聯電阻位於PCB的同一邊。 為了達到最高的精度,使用四端並聯,也稱為開爾文並聯。

在下面的圖5中,綠色框圈出了從並聯電阻到輸入引腳的走線,連到電阻器焊接點的線長度尺寸相同,並止於焊接點內部的中心。


(圖5:NCS21xR評估PCB提供優化的並聯電阻連接,圖片來源:onsemi)

圖6顯示了用於分流測量實驗的兩個評估板。 左邊標有“Good”的電路板有個1 mΩ並聯電阻,焊接在電阻焊接點(R1)上,並根據製造商關於如何連接一個雙端子並聯電阻的典型建議,對檢測線連接進行了優化。

右邊標有“Bad”的板與標有“Good”的板配置完全相同,只是並聯電阻的檢測線連接不同。 為了說明錯誤的分路連接帶來的不良影響,只需將檢測線切斷並重新連接到檢測電阻焊接點上的另一個位置,以類比設計錯誤的PCB板連接。

(圖6,NCS213R評估板:正確與錯誤的分路連接對比,圖片來源:onsemi)


為實現IN+和IN-之間最精確的電壓測量,需使用細尖頭探針,以便實際輸入引腳的使用。 由於連接的確切位置在並聯電阻下面 (最精確的量測位置),無法接入,因此,可直接在並聯電阻頂部進行測量。

(圖7:NCS213R測試電路圖, 輸出靜態電壓1.65 V,圖片來源:onsemi)


表1中的測量數據是使用圖6所示的評估板圖片測得的。 使用的電流檢測放大器是NCS213R和1 mΩ並聯電阻器,電路圖參見圖7。 在表1中,連接「正確」的「測量誤差(%)」列 - 測得輸出電壓與理想輸出電壓的測量誤差非常小,約為0.1%; 同樣,直接在輸入引腳處的測量值與直接測量的並聯電阻的差值很小,最多略高於0.1%。 然而,連接“錯誤”的測量表明,在1A時誤差約為1.5%,在10A時誤差超過10%。

(表1:並聯電阻測量調試表:正確連接對比錯誤連接(Good vs Bad),來源:onsemi)


表2則重點列出了NCS21xR和NCS199AxR系列電流檢測放大器。

(表2:NCS21xR和NCS199AxR系列電流檢測放大器,來源:onsemi)


因此,並聯電阻檢測線連接很重要,不能隨意地進行。 從直接實驗和觀察可以明顯看出,未經優化的檢測線連接引入了不可接受的誤差。 同樣值得注意的是,在連接「錯誤」的板上,在輸入引腳處測量的數據與在並聯電阻兩端測量的結果相比有很大的差異。 並聯電阻兩端的測量結果與預期一樣,但直接在輸入引腳處的測量值則不是這樣。 由於雜散電阻的增加,輸入引腳處的電壓較高。

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