原创 高精度电流检测电阻

在一些电子测量仪器、装置或产品中，经常有测量电路中直流电流的需要，因此研发人员开发出各种各样的电流检测集成电路。它是一种I/V转换器，将测量的电流转换成相应的电压，即V=kI，其中k为比例常数。另外，在一些电子产品中要限制输出电流，以防止有故障时（负载发生局部短路或输出端短路、电源输出电压升高等）产生过流而造成更大损失。检测到有过流发生时，可以控制关断电源或负载开关，或以限制的电流输出。

图1 电流检测电路

图1是一种电流检测电路。RS是电流检测电阻，RL是负载（通常为直流电机、电磁阀或加热器等）。当电流流过电流检测电阻时产生一个电压降VRS，此电压输入电流检测IC，经放大器放大后输出与电流I成比例的电压V。为减小在RS上的电压降VR，检测电阻一般取很小阻值（几毫欧到几百毫欧）。

图2 过流保护的负载开关结构框图

图2是一种带过流保护的负载开关结构框图，图2中，RL是负载，RS是电流检测电阻。流过RS的电压降VRS与电流I成比例，此电压VRS输入负载开关VI端。若内部电流检测电路检测出有过流状态，输出过流信号（电平信号）给通、断控制电路，关断负载开关。一旦开关断开，RS上电压VRS=0，开关又接通，产生振荡，如图3所示。输出电流将小于限制电流。更好的办法是通过FLAG端输出过流信号给μC,使μC输出低电平给负载开关ON端，关断负载开关。图2中未画出μC及μC与负载开关的连线。

从图1及图2可看出：无论电流测量或电流限制控制电路都需要外接电流检测电阻RS。RS的选择是否正确及RS的质量好坏，对电流测量精度有很大的影响。

电流检测电阻的要求及特点
电流检测电阻是随电流测量、电流控制的要求开发出来的一种特殊电阻。电流的测量范围很广，从几毫安到几十安；测量的精度要求不同，电流检测电阻也有不同的规格以满足不同的需要。本文主要介绍高精度电流检测电阻，其主要要求及特点如下。

表1  CSM2512与CSM3637的主要性能参数

1.RS的阻值小于10Ω
为减少在RS上的电压降及减小在RS上的功率损耗，RS的阻值要求小。一般在大电流测量时（几安到几十安）要采用毫欧级的RS。例如，检测电流为12A，若RS=0.1Ω（100mΩ），则在RS上的压降VRS=1.2V，其功耗为14.4W。如果电源电压为12V，则在负载上的工作电压已降到10.8V；并且在检测电阻RS上的损耗也太大。若采用5mΩ的RS，则RS上的压降减小到0.075V，其功耗减少为    0.72W。测量电流小时（如几十毫安到几百毫安），RS值可取零点几欧姆到几欧姆。所以电流检测电阻RS的阻值是小于10Ω的。目前已开发出超小阻值的系列，有1mΩ、0.5mΩ、及0.3mΩ系列的电流检测电阻。

图3 内部电流检测电路产生振荡

2.四引线结构
当电流检测电阻值已小到几毫欧时，其引线的电阻造成的误差则不能忽略，为此开发出四引线结构，如图4所示。接近电阻根部的两引线为测量VRS端，另两根引线为电流的通路。在电阻根部测量RS上的电压（消除了引线电阻的测量误差）是精密测量方法，也称为凯尔文（Kelvin）测量法。

图4  四引线结构

3.RS的允差要求小
为保证电流测量的精度，RS的允差要求小。一般精密电阻的允差可达±0.01%，但电流检测电阻值很小时（如RS=2mΩ），其允差达不到±0.01%，目前其允差可做到±0.1%。一般允差为±0.1%～±1%，RS的阻值≥5mΩ时，可达到±0.05%。

图5  70℃时降功耗使用

4.温度系数（TCR）要求小
在测量大电流时，RS的功耗可达1W以上，自身会发热，若Rs自身温度系数大，则电阻值发生变化而引起测量误差。另外，环境温度TA也会影响Rs的阻值变化，所以要求RS的温度系数小。目前典型的电流检测电阻的TCR为   ±1～±15×10-6/℃（在TA=0～60℃时，RS＜1Ω）。除要求其TCR小外，还要求有长期稳定性。

图6  CSM系列外形图

5.额定功率大
为满足大电流的测量，其额定功率一般为1～3W，某些功率电流检测电阻在加散热片的条件下可达10W（允许测更大的电流）。

表2  RS的外廓尺寸及焊盘尺寸-允差

6.允许环境温度（TA）宽
电流检测电阻的工作温度范围宽，一般为-55～+125℃。有一些可达150℃。但大部分RS在25℃后要降功耗使用，个别的RS可在70℃后才降功耗使用。例如，某电流检测电阻在25℃时的额定功耗为1W，在100℃的工作温度时，其允许的功耗已降到50%即0.5W；若在150℃工作温度条件下，则允许功耗降到20%即0.2W。这一点在实际使用时十分重要。

表3  几种典型的电流检测电阻

7.热电动势要小
典型值为0.05 μV/℃。
典型的电流检测电阻
电流检测电阻的生产厂家很多，同一生产厂家也会生产出几种或几十种不同的电流检测电阻（如不同的电流测量范围、不同的精度、不同的封装等）。这里介绍VISHAY公司的高精电流检测电阻CSM系列，它们是CSM2512及CSM3637及一些同类产品。
1.主要特点
CSM系列高精度电流检测电阻的主要特点：
①温度系数最大值为±15×10-6/℃；
②额定功率为1～3W；
③阻值允差±0.1%；
④阻值范围2～200mΩ；
⑤最大检测电流可达38A；
⑥贴片式元件（SMD）；
⑦四端精密凯尔文结构，提高测量精度；
⑧有无铅产品；
⑨工作温度范围-55～+125℃。

2.主要性能参数
CSM2512与CSM3637的主要性能参数如表1所示。
在工作温度（环境温度TA下）大于70℃时，要降功耗使用，如图5所示。

3.尺寸及焊盘尺寸
该系列电流检测电阻的外廓尺寸及焊盘尺寸如表2所示，外形如图6所示。

表4  电流检测电阻的应用

其他同类产品简介
这里再介绍一些其他同类产品，这都是VISHAY公司的产品，它们都是精密电流检测电阻，其型号是200系列、300系列及VCS101/3。它们的外形如图7所示，主要参数如表3所示。

应用领域
电流检测电阻的应用领域极广。主要应用与工业、消费类、汽车、通信、医疗、仪器及军用/航空和航天。这方面的应用如表4所示。