【導(dǎo)讀】你是否曾經(jīng)將新的設(shè)計或元器件方案視為一種改進的有益的替代方案，但后來卻發(fā)現(xiàn)它也有出乎意料的缺點？這些負面因素是你可以做更多的功課來預(yù)估并更有效評估的？還是故意或只是由于情況復(fù)雜而被埋得很深的？
用于測量負載電流的標準方法之一是在負載線中插入一個低阻值的電阻，然后檢測其兩端電壓，如圖1所示，接下來就是歐姆定律的模擬或數(shù)字實現(xiàn)。
圖1：(a)可以將電流檢測電阻放置在電源軌和負載之間(高側(cè))，或(b)放在負載和地之間(低側(cè))。高側(cè)檢測更難實現(xiàn)，但其在許多情況下具有顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢。（圖片來源：ADI）
與許多工程決策一樣，選擇使用什么電阻值是一種權(quán)衡。高阻值電阻會在其兩端產(chǎn)生較高的IR壓降和電壓，從而簡化電壓檢測并提高信噪比(SNR)。然而，這卻會減少可能流向負載的功率，而且這種耗散也可能導(dǎo)致電阻自熱，從而帶來漂移和可靠性問題。
相比之下，低阻值電阻可以最大限度地降低這種壓降，但卻會帶來精度和SNR問題。較低的壓降也會受到檢測放大器電路(這類應(yīng)用幾乎總是采用運算放大器設(shè)計)中缺陷的影響，因為其中存在著輸入電壓偏移和偏置電流及其隨后與溫度相關(guān)的漂移——它們?nèi)伎赡芷茐臋z測值而使其超出允許范圍。
一般來說，最好使用低阻值的電阻，這樣其相關(guān)的壓降和功耗就較低，總體上就更好，但這只能達到一定程度。其基礎(chǔ)指導(dǎo)原則是以最大電流下產(chǎn)生100mV壓降來確定電阻的大小。對于許多應(yīng)用，采用快速V=IR計算，就可將電流檢測電阻的值設(shè)置在1到10mΩ之間。然而，在低壓應(yīng)用中，即使是適度的100mV壓降以及相關(guān)耗散，也可能超出可接受范圍。
近年來，用于讀取檢測電阻兩端電壓的精密低壓運放的出現(xiàn)，使得低于1mΩ的電流檢測電阻應(yīng)用成為可能。諸如TI INA185和ADI AD8417等運算放大器，都具有超低電壓偏移和偏置電流以及低溫度系數(shù)，因此使用這種低歐姆電阻就很實用。
然而，幾乎每次有了新的進展也會帶來一連串新的考慮和顧慮。我曾經(jīng)讀過TT Electronics的業(yè)務(wù)開發(fā)工程師Stephen Oxley寫的一篇應(yīng)用筆記，文中討論到使用這些低歐姆值電流檢測電阻時，如何克服其固有的挑戰(zhàn)(圖2)。
圖2：來自TT Electronics LRMAP3920系列貼片電阻的尺寸約為5×10mm，可提供0.2-3mΩ的電阻值。（圖片來源：TT Electronics）
在這篇名為“克服使用sub-mΩ SMD的挑戰(zhàn)”(Overcome the Challenges of Using Sub-Milliohm SMD)文章中，他解釋了使用這些電阻不同于甚至是mΩ級電阻的許多方式，以及不恰當(dāng)?shù)厥褂脤⑷绾螌?dǎo)致其精度、一致性甚至可信度受到影響等等。
該應(yīng)用筆記提供了在使用sub-mΩ檢測電阻時需要注意的三個方面：
如何以及為何要將這些sub-mΩ芯片視為一種單獨的元器件類別，而不僅僅是低阻值版的mΩ版本。
在元器件選擇和PCB 布局設(shè)計時如何避免陷阱。
在每個階段量化和最小化誤差和變化的方法。
在眾多細節(jié)中，還有幾乎要強制使用四線開爾文連接相關(guān)的問題，以及其連接位置和方式的細微差別如何影響性能等問題；預(yù)估和適應(yīng)由不同金屬結(jié)點的熱電效應(yīng)所產(chǎn)生的電壓差；整個檢測元器件的電流通路和電壓檢測回路；使用多個并聯(lián)電阻來降低凈電阻或增加額定處理功率的不同方法(圖3)；當(dāng)然，還有不可避免的散熱考慮。簡而言之：當(dāng)檢測電阻本身為sub-mΩ時，電阻到電路的通路和接觸電阻將成為問題的重要組成部分。
圖3：在使用超低阻值的電阻時，即使是使用兩個并聯(lián)電阻的簡單原理，也會在電流通路方面帶來微妙的布局考慮。（圖片來源：TT Electronics）
我并不會對這篇文章進行詳細總結(jié)，對你來說自己讀過才更有意義。請注意，這篇文章幾乎完全是關(guān)于電阻、材料、端接和電流通路的，幾乎沒有提到任何相關(guān)的電子電路——這是另一個你必須計算誤差預(yù)算的地方。
再一次，最初看起來是個簡單而有益的方案，實際上卻充滿了許多微妙之處以及錯誤運用新元器件的方法，從而否定了它可能提供的任何好處。畢竟，還有什么比檢測電阻和歐姆定律更基礎(chǔ)的呢？
更糟糕的是，我們實際上可能得到了較差的結(jié)果而卻渾然不知，還以為自己的讀數(shù)是準確而又一致的，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)信號和數(shù)據(jù)具有誤導(dǎo)性。這再一次證明了，說“這只是個簡單的改變”或“一切都很好”的任何人，通常是個資深的經(jīng)驗豐富的工程師，要不就是他在專業(yè)技能上的反面。
你是否曾經(jīng)將新的設(shè)計或元器件方案視為一種改進的有益的替代方案，但后來卻發(fā)現(xiàn)它也有出乎意料的缺點？這些負面因素是你可以做更多的功課來預(yù)估并更有效評估的？還是故意或只是由于情況復(fù)雜而被埋得很深的？
(原文刊登于EDN美國版，參考鏈接：Sub-milliohm resistors bring current-sense benefits but also challenges，由Susan Hong編譯 )
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