【導讀】分流電阻器是一種插入電路中測量電流的精密元件。在使用靈敏表頭測量電流的電流表中，將分流電阻器與表頭并聯(lián)，就可以將部分電流從表頭中“分流”出去。如今，一般通過(guò)將電阻器插入電路來(lái)進(jìn)行“分流”，電阻器會(huì )相應地小幅降低電路中的電流電壓。然后可以使用電壓表或示波器測量該電壓降，并利用歐姆定律將測得的電壓除以電阻值，即可計算得出流經(jīng)電路的電流。
分流電阻器是一種插入電路中測量電流的精密元件。在使用靈敏表頭測量電流的電流表中，將分流電阻器與表頭并聯(lián)，就可以將部分電流從表頭中“分流”出去。如今，一般通過(guò)將電阻器插入電路來(lái)進(jìn)行“分流”，電阻器會(huì )相應地小幅降低電路中的電流電壓。然后可以使用電壓表或示波器測量該電壓降，并利用歐姆定律將測得的電壓除以電阻值，即可計算得出流經(jīng)電路的電流。
圖 1 可將已知電阻值的分流電阻器與負載串聯(lián)，用以測量負載中的電流。通過(guò)測量已知分流電阻器兩端的電壓降，即可利用公式 I = V/R 計算出電流。
分流電阻器的類(lèi)型
分流電阻器、電流感應電阻器和電流觀(guān)察電阻器的工作原理相同，但其性能和預期用途可能有所不同。CVR，即電流觀(guān)察電阻器，是分流電阻器的另一種說(shuō)法。通常是指低值分流電阻器，具有受控的頻率響應和非常準確的電阻，適用于精密動(dòng)態(tài)測量應用。雖然 CVR 可以用于產(chǎn)品設計，但更常用于原型設計或提供臨時(shí)測試點(diǎn)。CVR 通常配備包含寄生元件的軟件模型，便于進(jìn)行精確模擬。
如上所述，電流感應電阻器也可用作分流電阻器，但該術(shù)語(yǔ)通常指作為產(chǎn)品設計組成部分的電阻器?？膳c放大器結合，用于測量電阻器兩端的電壓降?？山Y合的放大器既可以是獨立的電流感應放大器，也可以是處理信號調節、隔離和模數轉換的完全集成的功率監測集成電路。
分流電阻器的特性
分流電阻器通常設計為低電阻，以最大限度地減少電壓降，并盡可能減少通過(guò)焦耳效應散熱而產(chǎn)生的 I2R 功率損耗。分流電阻器必須具有足夠的額定功率來(lái)承載被測電路中的電流。與任何其他組件一樣，分流電阻器并不是“最佳”選擇，因為電感會(huì )減少電流變化，因此串聯(lián)電感是一個(gè)重要的考慮因素。
設計用于交流測量的分流電阻器通常采用扁寬外形。由于趨膚效應，交流電主要在導體外表面流動(dòng)。因此，設計人員通常選擇扁寬導體來(lái)優(yōu)化表面積，保持較小的交流阻抗。
由于分流電阻的阻值可能非常小，以至于與連接線(xiàn)和接觸電阻的阻值相當。因此，一些分流電阻器設計了四個(gè)端子，以實(shí)現開(kāi)爾文連接。這種設計在電流和電壓電極之間提供了物理分離，消除了連接線(xiàn)和接觸電阻對測量的影響。實(shí)際上，分流電阻器的兩個(gè)端子用于傳輸電流，另外兩個(gè)端子用于連接電壓表。由于電壓表具有較高的輸入阻抗，所以能夠有效地消除流過(guò)電壓測量端子的電流，最大限度地減少了電壓連接中任何電阻的影響。
對設計工程師來(lái)說(shuō)，為 PCB 設計選擇合適的分流電阻器是一項重要任務(wù)。在設計過(guò)程中，尤其是為大規模生產(chǎn)進(jìn)行設計時(shí)，他們通常需要在電氣性能、封裝尺寸、功率等級甚至單價(jià)之間做出權衡。
為幫助您選擇合適的分流電阻器，以下列出了一些關(guān)鍵考慮因素。
準確度和公差：所需的測量精度決定了組件選擇的具體范圍。對于精確測量，應選擇公差?。ā?.1% 或更?。┑碾娮杵?。在敏感應用中，較大的公差可能會(huì )引入誤差。
寄生電感：在高頻電流或電流變化快的測量中，一定要考慮電感。低電感電阻器非常適合這種應用場(chǎng)景，因為它們最大限度地減少了可能的測量誤差，確保信號干凈、準確。
溫度系數：必須確保電阻器具有較低的溫度系數 (TCR)，這樣即使在溫度波動(dòng)的條件下，也能保持電阻器的穩定性。溫度系數通常與功率耗散因素有關(guān)。
電流范圍/額定功率：電流范圍和功率額定值均需考慮。最大電流范圍以及電阻值將決定最大功率耗散。此外，還必須考慮要測量的最小電流差，確保分流電阻器足夠大，以產(chǎn)生可測量的電壓降。功率等級通常會(huì )決定電阻器的尺寸和外形。
物理尺寸和外形：無(wú)論您需要的是表面貼裝設計還是通孔設計，您選擇的電阻器都應該滿(mǎn)足上述條件，且適合您的系統可用空間。
分流電阻器的應用
分流電阻器具有設計簡(jiǎn)單、成本低和性能高的優(yōu)點(diǎn)，因此適用于各種應用。它們廣泛應用于以下領(lǐng)域：
? 常規測試與測量：分流電阻器可以嵌入電流表，也可以作為外部設備與被測負載串聯(lián)。
? 電源和工業(yè)設備：用于電流監測和故障檢測。
? 電機驅動(dòng)和控制系統：用于測量和調節電流，優(yōu)化性能。
? 電動(dòng)汽車(chē)：高精度監測充電和放電電流。
? 移動(dòng)設備：電流感應電阻器通常用于監測低電流設備的電流消耗。
分流電阻器在電路中的放置位置
在大多數應用中，應將分流電阻器的一個(gè)引腳放置在靠近地線(xiàn)一側（通常稱(chēng)為“低邊電流感應”）。這種做法將降低施加到用于測量分流器的電壓表的共模電壓。設計人員必須注意，測量的返回路徑不能與交流信號路徑共享，也不能與交流信號路徑耦合，因為交流信號會(huì )在測量中引入噪聲。
在某些情況下，將分流電阻器接地可能無(wú)法實(shí)現或者不可取。例如，最近汽車(chē)電源設計師考慮了將分流器直接連接到電源的優(yōu)勢，這種配置可以使他們快速檢測下游路徑上的潛在故障，從而有機會(huì )保護電路。這當然意味著(zhù)分流器必須插入不接地的節點(diǎn)，因此應特別注意觀(guān)察用于測量電壓降的測量系統的共模電壓規格。
圖 2 如果可能，分流電阻器（例如該電路中的下方電流觀(guān)察電阻器 (CVR)）應接地。這將最大限度地減少共模電壓，同時(shí)允許連接接地參考探頭。測量上方 CVR 時(shí)，需要進(jìn)行具有高共模抑制的差分測量。
測量?jì)x器以及使用分流電阻器測量電流
一般來(lái)說(shuō)，分流電阻器通過(guò)產(chǎn)生較小的可測量電壓降來(lái)實(shí)現電流的準確測量。要準確測量電壓降，需要使用電流表、數字萬(wàn)用表 (DMM) 和示波器等儀器。
電流表和 DMM 是測量直流電和交流電的最佳選擇。它們是對交流和直流電源進(jìn)行快速準確測量的首選工具。用于電流測量的儀表內部通常嵌入一個(gè)或多個(gè)分流電阻器。使用不同的電阻器可以實(shí)現多種電流范圍。某些測量設備的測量結果極其精準，例如，Keithley DMM7510 精密臺式萬(wàn)用表可以測量 pA (1x10-12 A) 級別的直流電和 nA (1x10-9 A) 級別交流電。大多數 DDM 可以輕松地對 50/60 Hz 的信號進(jìn)行 RMS 測量，有些甚至可以測量高達幾千赫茲的信號，但是測量導線(xiàn)通常在低于 1 MHz的頻率下就達到其測量上限。
圖 3 DMM 具有內置分流電阻器，用于準確測量電流。這款 Keithley DMM7510 可以測量 pA (1x10-12 A) 級別的直流電。請注意右下角的 3 A 電流輸入端口，該輸入端口連接到其中一個(gè)內部分流電阻器。此 DMM 的背面還提供 10 A 輸入端口。
從歷史上看，模擬電流表（或稱(chēng)為檢流計）通過(guò)讓電流流過(guò)一個(gè)線(xiàn)圈來(lái)感應電流，該線(xiàn)圈位于一個(gè)靈敏的儀表運動(dòng)裝置中。在這些儀器中，分流電阻器被用作分流器，通過(guò)將電流“分流”至遠離運動(dòng)的地方，從而使儀表能夠測量更高的電流。盡管大多數現代儀器測量的是分流電阻器兩端的電壓降，但“分流”這個(gè)術(shù)語(yǔ)仍然保留了下來(lái)。
數字萬(wàn)用表 (DMM) 能夠測量電壓、電阻和電流。DMM 通常具有一個(gè)或多個(gè)內置分流器，用于測量交流或直流電流。在交流或直流電壓模式下，DMM 還可以測量外部分流電阻器兩端的電壓降。使用帶分流電阻器的 DMM 時(shí)，萬(wàn)用表連接在兩側電阻端子上，用以測量電壓降并顯示相應的電流值。DMM 非常適用于準確讀取低電流和高電流電路中的電流，因此應用非常廣泛。
電流表專(zhuān)為測量電流而設計，非常適合需要連續監測電路電流的應用。電流表通常內置于電源或其他設備中，用于實(shí)時(shí)反饋。
使用示波器測量電流
對于直流和低頻交流電流測量，示波器通常不如 DMM 準確，但對于測量兆赫茲級頻率的瞬態(tài)和快速變化電流，示波器非常有用。示波器還可以讓工程師直觀(guān)地看到被測設備中電流相對于其他活動(dòng)和參數的情況，其他活動(dòng)和參數包括電壓、開(kāi)關(guān)事件、傳感器信號和控制信號。該功能在測試高速數字系統、牽引逆變器和電源等系統時(shí)特別有用，因為這些系統中的電流會(huì )隨著(zhù)負載的變化而迅速上升或下降。
要測量電流，示波器必須配備能夠將電流轉換為電壓的探頭。電流轉換可以基于磁傳感器，也可以基于分流電阻器。兩種方法均可為示波器提供電壓信號，且電壓信號可數字化并隨時(shí)間變化進(jìn)行顯示。
圖 4 示波器可以使用鉗式電流探頭來(lái)測量電流，也可以通過(guò)測量分流電阻器兩端的電壓降來(lái)測量電流。在此示例中，電阻器未接地，因此使用了分流電流探頭。
磁電流探頭
互感器、羅氏線(xiàn)圈和霍爾效應探頭與示波器協(xié)同工作，無(wú)需斷開(kāi)電路即可測量電流?；ジ衅骱土_氏線(xiàn)圈僅可用于測量交流電。因此，示波器的交流/直流電流探頭將互感器作用與霍爾效應傳感器結合在一起。如果可以在待測設備中設計或作為臨時(shí)測試點(diǎn)加入一段導線(xiàn)或母線(xiàn)，使用此類(lèi)探頭則方便且有效。然而，即使是 TCP0030A 等高性能鉗式電流探頭，也有測量限制，最大可測量 120 Mhz 的電流，最小可測量 mA 級別的電流。盡管采用磁探頭測量時(shí)不需要“斷開(kāi)電路”，但一定要記住，磁探頭確實(shí)會(huì )給被測電路引入感性負載，這在高頻測量時(shí)尤為顯著(zhù)。在 120 Mhz 的頻率下，TCP0030A 的插入阻抗為 0.85 Ω。
分流電阻器兩端的電壓降
測量已知電阻器兩端的電壓降是一種測量電路電流的直接方法。被測設備內任何已知低值串聯(lián)電阻均可用作電流測量分流器。也可以通過(guò)插入適當額定值的電阻器與負載串聯(lián)，以添加測試點(diǎn)。如果示波器具有測量縮放功能（通常位于探頭菜單中），則可以將電壓讀數除以恒定電阻值來(lái)?yè)Q算出電流值。
? 如上所述，理想情況下，分流電阻器的一個(gè)引腳應接地。如果電阻器的一條引腳接地，則可以使用無(wú)源接地參考探頭。如果電阻器的一個(gè)端子不能接地，則應使用差分電壓探頭。即使使用差分探頭，也最好將分流電阻器放置在靠近接地的位置，以盡量減少共模電壓。
? 分流器的電阻必須遠小于示波器或探頭的電阻。
? 對于高頻測量，分流電阻器的寄生電容和電感將產(chǎn)生影響，因此，應使用專(zhuān)為高頻應用而設計的感應電阻器或 CVR。
雖然無(wú)源探頭和差分電壓探頭可用于測量分流電阻器兩端的電壓波形，但也有一些缺點(diǎn)：
? 通常會(huì )衰減信號，導致信噪比降低。
? 高輸入阻抗和分流電容會(huì )影響噪聲性能。
? 對于無(wú)法接地的分流器
? 不能使用無(wú)源探頭
? 差分探頭可能無(wú)法提供足夠的共模電壓抑制
? 共模抑制通常不足以防止噪聲
圖 5 TICP 系列 IsoVu 隔離電流探頭設計用于對浮地分流電阻器進(jìn)行高帶寬、低噪聲電流測量。
使用隔離電流探頭
在必須嚴格控制噪聲的情況下，可以使用特殊電流分流探頭。泰克 TICP 系列 IsoVu?隔離電流探頭就是能夠滿(mǎn)足此類(lèi)特殊要求的系列探頭。這些探頭專(zhuān)門(mén)設計用于對分流電阻器兩端進(jìn)行低噪聲、高帶寬的電流測量。全新 TICP 系列隔離電流探頭包括以下主要特性：
? 帶寬分為 250 MHz、500 Mhz 和 1 GHz
? 與 1X 尖端一起使用時(shí)，衰減較低，輸入阻抗為 50 Ω。能夠最大限度地提高信噪比。
? 具有超過(guò) 1000 V 的共模電壓，適用于高壓電源轉換器。遠高于常規差分電壓探頭。
? 1 MHz 時(shí)共模抑制比為 90 dB，顯著(zhù)高于常規差分探頭。
分流電阻器相對于磁傳感器和霍爾效應傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
與使用磁傳感器和霍爾效應傳感器相比，使用分流電阻器測量電流具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)準確：分流電阻器提供高度準確的電流測量，并且通過(guò)設計可最大限度地減少對被測電路的影響。由于分流電阻器本質(zhì)上是電流電壓轉換器，因此測量準確度取決于以下兩個(gè)因素：用于測量分流器兩端電壓降的儀器的精度，以及電阻值的穩定性。
2)成本低：與磁傳感器和霍爾效應傳感器等其他電流測量?jì)x器相比，分流電阻器成本低且易于實(shí)現。
3)多功能：同時(shí)適用于低電流和高電流系統，具體取決于材料和結構。
使用分流電阻器測量電流具有以下主要缺點(diǎn)：
1)斷路：與磁傳感器和霍爾效應傳感器不同，分流電阻器必須插入被測電路。對于有線(xiàn)連接，這很簡(jiǎn)單——電阻器可以直接串聯(lián)在電路中。而對于電路板，為了避免不得不切斷電路走線(xiàn)，必須設計有測試點(diǎn)。
2)電壓降：在電源和負載之間放置分流電阻器會(huì )降低負載可用的電壓。
3)功率耗散：分流電阻器的功率耗散與電流的平方成正比 (P = I2R)。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
貿澤電子攜手安森美和Würth Elektronik推出新一代太陽(yáng)能和儲能解決方案
AMTS 2025展位預訂正式開(kāi)啟——體驗科技驅動(dòng)的未來(lái)汽車(chē)世界，共迎AMTS 20周年！
在校準中使用埋入式齊納技術(shù)帶來(lái)極高精度優(yōu)勢
