低端电流检测误差分析

一、概要

了解如何在低端电流检测中使用单端放大器,包括PCB布局技巧和注意事项,以及如何优化布局提高检测精度。

二、在低端电流检测中使用单端放大器

低端检测的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大分流电阻器上的电压。例如,运算放大器的可以做电机控制应用中低成本电流检测使用。

图 1

然而,这种低成本的解决方案可能会带来很多测量误差。为了能够准确测量电流,我们需要考虑可能影响电路敏感节点(如放大器输入)的任何非理想效应。这也是我们在这篇文章中重点讨论的点。

三、PCB走线电阻的影响

一个重要的误差是由于PCB走线造成的寄生电阻Rstray。由于待检测电阻Rshunt在毫欧范围内的值很小,任何与Rshunt串联的寄生电阻Rstray都可能对测量结果产生明显误差。如下图所示,寄生电阻等效电路图。

图 2

根据应用,Iload可高达数百安培。因此,即使是很小的Rstray值也会产生相当大的误差电压Verror。该误差电压将被放大器放大并出现在输出端。

由于铜电阻的温度系数相当高(约0.4%/℃),Rstray的值会随温度发生很大变化。因此,当该电路应用在大范围温度变化的场景时,寄生电阻会会因温度变化产生相当大的误差。因此,为了降低误差电压 Verror,我们应该避免长走线以最小化 Rstray。

值得一提的是,消除Rstray误差的更有效解决方案是差分放大器而不是单端放大器。单端放大器检测节点A相对于地的电压。然而,差分放大器具有差分输入可以检测Rshunt两端的电压。如下图所示。

图 3

差分放大器的传递函数由下式给出:

由于差分放大器的差分输入检测Rshunt上的电压,PCB走线的电阻不会产生误差。我们将在以后的文章中更详细地研究差分放大器配置。

四、阻焊电阻的影响

另一个误差源是与检测电阻串联的焊接电阻。如下图所示

图 4

在该图中,负载电流沿红色箭头方向从左向右流动。垂直走线将分流电阻器连接到放大器输入(In+ 和 In-)。因此,放大器会检测 A 点和 B 点之间的电压差。检测电阻的实际值将为 Rshunt+2Rsolder。焊接电阻可以在几百微欧的范围内。

尤其是在使用小分流电阻器时,该误差变得显着。例如,使用0.5mΩ分流电阻和Iload=20 A,焊接电阻的误差可能高达22%。为了解决这个问题,放大器输入应直接连接到分流电阻而不是载流走线。如下图是优化后的PCB布局图。

图 5

在这种情况下,有两对PCB焊盘:一对用于将Rshunt连接到负载,另一对用于将Rshunt连接到放大器输入。在大电流应用中,放大器消耗的电流(Iamp)远小于Iload。因此上述布局可以减少阻焊电阻造成的误差。

为了更好地理解这种技术,让我们比较两种情况下的感测电压。对于图 4 所示的布局,检测到的电压为:

由于Iamp比Iload小得多,我们有

-公式1

这给出了2Rsolder1*Iload的误差电压。图 5 中的布局如何?该布局的电路图如下所示:

图 6

请注意,电流 Iload 无需通过 Rsolder2 即可返回其源。测得的电压为:

在这种情况下,误差为 2Rsolder2*Iamp,它远小于公式 1,因为Iamp远小于 Iload。这种电路结构我们通常称为开尔文接法,这种接法在很多领域中得到使用,开尔文接法能使我们准确测量阻抗。图7显示了采用Kelvin传感技术的其他一些PCB布局。

图 7

五、噪声地平面

图8显示了另一个误差源,噪声地平面。

图 8

前文提到,由于普通放大器的单端输入测量的是节点A相对于地的电压。假设我们的电路板有一个专用的接地层。我们可以在Rshunt附近放置一个过孔,以将B点保持在系统接地电位,并最大限度地减少PCB走线电阻的误差。另一个敏感节点是节点C。耦合到节点C的任何信号都将被放大并出现在输出端。因此,我们也需要将节点C保持在地电位。

但是,假设地有噪声,并且一些电流流过地平面,如图8所示。这将导致节点B和C之间的电位差,而我们理想情况下期望它们处于相同的电位。

假设节点B保持在地电位,与地电流的电压差将出现在节点C并在输出端引入误差。为避免此错误,建议使用使节点B和C彼此非常接近的 PCB 布局。

图 9

上图9显示了一个将上述考虑因素考虑在内的示例布局。我们使用的是SOT23 封装的运算放大器。

需要注意:开尔文连接用于检测分流电阻器上的电压。另外,R1和Rshunt的接地侧彼此需要非常靠近。

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