檢流電阻器的基礎(chǔ)知識

        電路中的電流檢測技術(shù)多種多樣。其中最簡單和最常見的方法之一是使用專用的檢流電阻器。如下圖所示,這種電阻器有兩種用法。其一是圖左側(cè)的分流配置,其中大部分電流流經(jīng)檢流電阻器,而已知比例的電流流經(jīng)電流表。該比例是已知電流表電阻和已知分流電阻的比例函數(shù),因此可以計算出電路中的總電流。其二是圖右側(cè)的串聯(lián)感測拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中所有電流都流經(jīng)阻值較低的檢流電阻器,再用高阻抗萬用表測量其兩端的電壓。這樣,電路中的總電流就可以運用歐姆定律輕松計算出來。

        圖1. 檢流電阻器的分流配置與串聯(lián)配置

        很明顯在這兩種檢流電阻拓?fù)渲?電阻器會以熱量的形式損耗部分功率。為了盡量減少功率損耗,應(yīng)該盡量縮小檢流電阻器的尺寸,不過這樣會增加檢測電路中的噪聲。為實現(xiàn)令人滿意的設(shè)計性能,必須謹(jǐn)慎權(quán)衡檢測精度與功耗。

        在選擇檢流電阻器時,還必須根據(jù)高溫條件下的二階效應(yīng)仔細(xì)衡量。器件本身的電阻值會隨著溫度的升高而增大,如果電阻器無法得到充分冷卻,那么必須考慮到在檢測過程中的這種非理想狀態(tài)。同樣,當(dāng)檢流電阻器發(fā)熱升溫,達(dá)到特定溫度后,必須降低容許的總功率損耗。通過仔細(xì)選擇電阻器結(jié)構(gòu)、封裝幾何結(jié)構(gòu)和PCB布局等,可減輕溫升所帶來的不良影響。

        檢流電阻器的應(yīng)用

        檢流電阻器可用在從低電流穿戴式設(shè)備到大功率電動汽車等眾多應(yīng)用中。然而,無論在哪種應(yīng)用中,都適用一些通用的原則。選擇電阻器時必須考慮合適的阻抗和檢測范圍。此外,還要全面考慮電阻因發(fā)熱而產(chǎn)生的功率損耗問題。下圖展示了兩種常見的應(yīng)用,一種用于電流較大的多相電機(jī)驅(qū)動器,另一種用于低電流的電池監(jiān)控器。

        圖2. 用于電機(jī)驅(qū)動和電池監(jiān)控應(yīng)用的分流電阻器

        在圖2左側(cè)的電機(jī)驅(qū)動電路中,檢流電阻器用于監(jiān)測經(jīng)過低邊晶體管流經(jīng)電機(jī)繞組各相的電流。差分放大器用于檢測感應(yīng)電壓并將其饋送至控制器IC中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。控制器IC使用該電壓反饋來計算電機(jī)電流的大小和相位,進(jìn)而控制晶體管驅(qū)動器的時序。

        在圖2右側(cè)的電池監(jiān)控電路中,通過專用電池管理IC上的ADC來測量流入和流出鋰電池組的電流。這通常用來控制電池的充電,讓充電過程遵照特定電流曲線。此外,同一電阻器也可以用來檢測電池釋放的總電量,為上游用戶界面提供剩余電量讀數(shù)。

        大功率檢流電阻器的分類

        檢流電阻器有兩種不同的制造方式。第一種是基于傳統(tǒng)的厚膜電阻結(jié)構(gòu),如下圖所示,即在陶瓷襯底上印刷電阻膏經(jīng)過燒結(jié)后,用激光調(diào)阻使電阻達(dá)到目標(biāo)阻值,再經(jīng)過涂裝和組裝,最終制成表面貼裝型電阻器。

        圖3. 厚膜電阻結(jié)構(gòu)

        第二種方式是使用金屬合金作為電阻結(jié)構(gòu),將其直接焊接到接觸電極上。合金配方對于確定阻值及其熱特性至關(guān)重要。這種電阻結(jié)構(gòu)具有出色的功率和熱性能表現(xiàn),但其制造成本較高。下圖給出了一個示例。

        圖4. 金屬板電阻結(jié)構(gòu)

        除基本結(jié)構(gòu)不同外,檢流電阻器還具有多種封裝形式,以滿足不同的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的Top Mount封裝形式成本最低,但額定功率也最低。Rear Mount封裝形式可以使電阻元件與下層PCB之間直接接觸散熱,散熱性能更出色。最后,長邊電極型電阻則采用反向長寬比,這更大程度地擴(kuò)大了引腳表面積。引腳可以提供良好的散熱路徑,因此在所有檢流電阻器中這類產(chǎn)品的額定功率最高。

        ROHM的大功率檢流電阻器產(chǎn)品陣容

        ROHM提供了豐富的產(chǎn)品陣容,可以滿足各種應(yīng)用對額定功率和電阻值等性能變量的不同需求。下圖展示了ROHM的各系列分流電阻器及其性能范圍。

        圖5. ROHM分流電阻器產(chǎn)品陣容

        在金屬板型分流電阻器領(lǐng)域,ROHM擁有PSR、GMR、PML和PMR系列產(chǎn)品。PSR系列主要是0.1mΩ~3mΩ范圍的大電流、超低阻值電阻器。GMR系列支持5mΩ~220mΩ的更大阻值范圍,并具有優(yōu)異的溫度特性。PM(PML和PMR)系列涵蓋的阻值范圍更寬,是適用于低功率應(yīng)用的通用設(shè)計。

        在厚膜分流電阻器領(lǐng)域,ROHM推出了LTR/LHR和UCR系列產(chǎn)品。LTR/LHR系列電阻器是1W~4W的低功率產(chǎn)品,具有優(yōu)異的溫度特性。LTR/LHR系列進(jìn)一步優(yōu)化了溫度特性,仍然專注于低功率應(yīng)用領(lǐng)域。而UCR系列則是適用于0.5W以下應(yīng)用的通用產(chǎn)品。

        ROHM開發(fā)并確立了一系列創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù),打造出性能顯著優(yōu)于普通產(chǎn)品的出色產(chǎn)品群。例如GMR系列電阻器的熱性能,通過采用ROHM自有的觸點結(jié)構(gòu)和特有的合金材料,實現(xiàn)了出色的溫度系數(shù)。相較于普通產(chǎn)品,在3W功耗耗散功率條件下ROHM產(chǎn)品的表面溫度降低了57%。這使得在設(shè)計階段就可以采用更低的溫度降額,從而可以節(jié)省空間并降低成本。

        不僅如此,ROHM還開發(fā)出特殊的封裝技術(shù),例如長邊電極和背面貼裝(face-down)技術(shù)。如下圖所示,長邊電極產(chǎn)品優(yōu)化了散熱路徑,通過接觸散熱將熱量釋放到周圍路徑中,這樣就可以獲得更高的額定功率并改進(jìn)溫度降額曲線。

        圖6. 長邊電極式封裝提高了熱性能

        結(jié)語

        檢流電阻器是用來監(jiān)控眾多電子設(shè)備中的電流的常見電路元件。ROHM已經(jīng)開發(fā)出多種材料、結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù),打造了豐富的檢流電阻器產(chǎn)品陣容,支持從低功率的通用設(shè)計到大電流高精度配置的各種應(yīng)用領(lǐng)域。用戶可根據(jù)總功率、總阻值和溫度系數(shù),在厚膜拓?fù)浜徒饘偻負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行選擇。在這些系列產(chǎn)品中,ROHM通過優(yōu)化長寬比和封裝結(jié)構(gòu),致力于更大程度地降低總成本并減少電路板面積,同時更大程度地提高性能。