電流感測電阻如何達到精確的功率測量和管理

在對更高效率和更優異電源管理的持續需求下，需要精確的電流測量才可滿足。這種需求涉及多種工業和消費性應用以及電力電子，包括電池管理系統 (BMS)、切換式電源供應器 (SMPS) 和馬達驅動器。

雖然有幾種方法可以測量電流並確定功率，但採用電流感測電阻 (通常稱為分流電阻) 和差動放大器，則是技術上最合適和最具成本效益的解決方案之一。

電流感測電阻並非只是具有需求數值的「另一個電阻」而已。為了達到精確感測，必須具有較高的絕對精度，提供優異的耗散效能以確保可靠性，儘管在自體發熱和環境溫度變化下，仍可在溫度變化下保持穩定運作，且僅有最小的熱電接觸效應。

為了確定感測電阻的尺寸，首先要假設在電流滿載下，電流感測電阻兩端具有可接受的最大壓降 (V = IR)，藉此確定合適的電阻值。採用大約 100 mV 的標稱最大值會是不錯的開始，這通常是在眾多因素考量下不錯的折衷點，包括動態範圍、靈敏度、雜訊、電流障礙和耗費功率等因素。

接著就可利用通過電阻的最大電流來計算其最高值，其中 R = V/I。在許多情況下，這相當於 1 mΩ 或更低。使用選定的電阻值和最大電流，就可使用公式 I²R 計算電阻所需的耗散額定值。

連接拓撲的關鍵性

有一點也同樣重要，就是實體感測配置必須將任何電壓測量誤差降至最低。由於極低的電阻值和低壓降，電流連接之間的接觸電阻、感測器接線和感測電阻等細微差異，就成了重要的考量因素。

在基本的雙線電壓感測配置中，目前電流路徑的電阻接觸點，以及電壓連接對電阻的接觸點，是相同的 (圖 1 左)。

圖 1：雙線感測 (左) 和四線凱氏感測 (右) 在電流和電壓接觸點的實體連接方面具有細微但明顯的差異；後者因為引線損耗可將誤差降至最低。(圖片來源：Wikipedia，經作者修改)

然而，明顯的雙線配置可能會有損電阻兩端低位準電壓的測量精度。為了克服雙線感測連接引起的相對較小卻又明顯的誤差問題，通常會使用四線凱氏感測裝置(圖 1 右)。

電流和電壓感測連接在此拓撲結構中屬於獨立接觸點。儘管電氣連接原理圖可能看起來相同，但實體實作上卻相當不同。

四線感測會將電流接觸點和路徑與電壓感測點隔開，因此可確保引線和電流接觸點上的壓降不會影響測量精度。當感測電阻值與用於測量之引線的引線值大致相同時，這問題特別麻煩。

四線感測可移至緊鄰目標阻抗的電壓測量點，就可繞過大電流路徑中可能出現的任何壓降，進而大幅減少此問題。

正確的電阻技術也很重要

除了具有 1 mΩ 以下的低電阻值外，感測電阻還必須具有低電阻溫度係數 (TCR)，以免環境溫度變化和 I²R 引發之自體發熱導致漂移。因此，這些電阻的設計、材料和製造可說是高度專業化的成果。

Bourns, Inc. 的 CSI 系列金屬條分流電阻有助於設計人員符合這些要求。此系列的成員提供最低至 0.2 mΩ 的寬廣電阻值範圍，且功耗額定值最高達 15 W (連續)。

電阻採用電子束焊接 (EBW) 電阻材料和銅合金製造，提供雙端子和四端子選項。雙端子型號提供三種覆蓋區尺寸：5930、3920 和 2512。四端子裝置可用於更精確的四線凱氏電阻測量，並採用 4026 覆蓋區。

獨特的金屬合金電流感測元件專為分流電阻而設計，在 +20°C 至 +60°C 溫度範圍內，具有低熱電動勢 (EMF) 和最低 ±50 ppm/°C 的 TCR。

請注意，這些電阻在製造上採用了一些違反直覺的材料科學思維。您通常不希望在任何低 TCR 元件中使用高 TCR 的銅 (約 3900 ppm/°C)。然而，銅也具有出色的導熱性，因此謹慎融入電阻設計中，就可提高功率處理效能。

CSI 系列雙線電阻中有個代表性產品就是 CSI2H-2512R-1L00J (圖 2)，這是一款 1 mΩ、5 W 的電阻，容差為 ±5%，TCR 為 ±75 ppm/°C。也有提供 ±2% 容差的更嚴格款式，甚至還有 1%。

圖 2：CSI2H-2512R-1L00J 是一款 1 mΩ、5 W 電阻，用於雙線感測。(圖片來源：Bourns)

此電阻採用 Bourns 的 R 型材料製造，具有低於 2 nH 的極低自感。自感是相當重要但經常遭到忽視的參數，如果電阻位於高速切換電路中，自感就可能會導致問題。

如果您需要四線凱氏感測，CSI4J-4026R-1L00F 電流感測電阻是 1 mΩ 元件，額定功率為 8 W (圖 3)。這款 ±1% 電阻 (也提供 2% 和 5% 款式) 的 TCR 為 ±75 ppm/°C。自感低於 3 nH。注意不同的觸點配置；此設計可達成四線功能。

圖 3：1 mΩ CSI4J-4026R-1L00F 具有額外的分接點，專為四線凱氏電流感測而設計。(圖片來源：Bourns)

礙於 TCR 對感測電阻精度的影響，這些元件的規格書附有眾多圖表，可指出在 25°C 運作下的電阻值變化。

結論

感測電阻看似簡單的元件，但值得深入考量。考慮到其預期用途以及在應用基礎上所要提供的功能，就可發現其微妙之處和考量因素，必須要透過具備經驗、材料專業和製造知識的廠商才能符合需求，而這些要求都可透過詳細的規格書得知。

參考資料

1： Maxim/Analog Devices, Application Note 5761, “Lord Kelvin’s Sensing Method Lives On in the Measurement Accuracy of Ultra-Precision Current-Shunt Monitors/Current-Sense Amplifiers”