電流檢測電阻器具有各種形狀和尺寸,用于測量許多汽車、電源控制和工業(yè)系統(tǒng)中的電流。當使用非常低值的電阻(幾毫歐或更?。r,焊料的電阻成為檢測元件電阻的很大一部分,并顯著增加測量誤差。高精度應用通常使用4端子電阻和開爾文檢測來降低這種誤差,但這些專用電阻可能很昂貴。此外,在測量大電流時,電阻焊盤的尺寸和設計在確定檢測精度方面起著至關重要的作用。本文介紹一種替代方法,該方法使用具有4焊盤布局的標準低成本2焊盤檢測電阻實現(xiàn)高精度開爾文檢測。圖1顯示了用于表征由五種不同布局引起的誤差的測試板。
圖1.檢測電阻布局測試PCB。
檢流電阻器
常用的檢流電阻提供低至 0.5 mΩ 的電阻值,采用 2512 外殼封裝,功耗高達 3 W。為了突出最壞情況下的誤差,這些實驗采用了一個0.5 mΩ、3 W電阻和1%容差(Welwyn/TTelectronics的部件號ULRG3-2512-0M50-FLFSLT)。其尺寸和標準4線基底面如圖2所示。
圖2.(a) ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻器尺寸;(b) 標準 4 焊盤封裝。
傳統(tǒng)足跡
對于開爾文檢測,必須對標準2線封裝中的焊盤進行劃分,以便為系統(tǒng)電流和檢測電流提供單獨的路徑。圖 3 顯示了此類布局的示例。系統(tǒng)電流采用紅色箭頭所示的路徑。如果使用簡單的 2 焊盤布局,則總電阻為:
為避免額外的電阻,電壓檢測走線需要直接布線至檢測電阻焊盤。系統(tǒng)電流仍會導致上部焊點兩端的壓降顯著,但檢測電流將導致下部焊點兩端的壓降可以忽略不計。因此,這種分離焊盤方法消除了測量中的焊點電阻,提高了系統(tǒng)的總精度。
圖3.開爾文感應。
優(yōu)化開爾文足跡
圖3所示布局比標準2焊盤方法有了顯著改進,但對于極低值電阻(0.5 mΩ或更低),焊盤上檢測點的物理位置和流過電阻的電流對稱性變得更加重要。例如,ULRG3-2512-0M50-FLFSLT是一種固體金屬合金電阻器,因此沿焊盤的每一毫米電阻都會影響有效電阻。使用校準電流,通過比較五個自定義封裝的壓降來確定最佳檢測布局。
測試線路板
圖 4 顯示了在測試 PCB 上創(chuàng)建的五種布局模式,標記為 A 到 E。在可能的情況下,將跡線路由到沿傳感墊不同位置的測試點,如顏色編碼點所示。各個電阻器占位面積為:
標準 4 線電阻,基于 2512 推薦封裝(參見圖 2(b))。焊盤外邊緣和內(nèi)邊緣(x 軸)的檢測點對(X 和 Y)。
與A類似,但焊盤向內(nèi)拉長,以更好地覆蓋焊盤區(qū)域(見圖2(a))。感應點位于焊盤的中心和末端。
通過使用焊盤的兩側提供更對稱的系統(tǒng)電流。還將感知點移動到更中心的位置。感應點位于焊盤的中心和末端。
與C類似,但在最內(nèi)側連接系統(tǒng)電流焊盤。僅使用外部感應點。
A 和 B 的混合體。系統(tǒng)電流流過較寬的焊盤,檢測電流流過較小的焊盤。檢測點位于焊盤的外邊緣和內(nèi)邊緣。
圖4.測試PCB布局。
使用模板施加焊料并在回流爐中回流。使用了ULRG3-2512-0M50-FLFSLT電阻器。
測試程序
測試設置如圖 5 所示。20 A的校準電流通過每個電阻器,而電阻保持在25°C。 在使能負載電流后不到1秒內(nèi)測量產(chǎn)生的差分電壓,以防止電阻溫度上升超過1°C。 監(jiān)測每個電阻器的溫度,以確保測試結果記錄在25°C。 20 A時,0.5 mΩ電阻兩端的理想壓降為10 mV。
圖5.測試設置。
測試結果
表1顯示了使用圖4所示檢測板位置的測量數(shù)據(jù)。
表 1.測量的電壓和誤差
腳印 | 感應墊 | 測量值(毫伏) | 誤差 (%) |
一個 |
Y |
9.55 | 4.5 |
X | 9.68 | 3.2 | |
B |
Y |
9.50 | 5 |
X | 9.55 | 4.5 | |
C | Y | 9.80 | 2 |
X | 9.90 | 1 | |
D | X | 10.06 | 0.6 |
E | Y | 9.59 | 4.1 |
X | 9.60 | 4 | |
頂墊* | 12.28 | 22.8 | |
*無開爾文感應。測量主大電流焊盤兩端的電壓,以證明與焊接電阻相關的誤差。 |
觀察
封裝 C 和 D 的誤差最小,結果和變化在各個電阻容差范圍內(nèi)相當。首選封裝 C,因為它不太可能引起與元件放置公差相關的問題。
電阻器外端的檢測點可在每種情況下提供最準確的結果。這表明電阻器的大小由制造商調(diào)整到整個長度。
請注意,在不使用開爾文檢測的情況下,與阻焊電阻相關的誤差為 22%。這是約0.144 mΩ的等效焊接電阻。
封裝 E 演示了不對稱焊盤布局的效果。在回流焊期間,元件被拉到焊料最多的焊盤上。應避免這種類型的足跡。
結論
根據(jù)所示結果,最佳封裝為C,預期測量誤差小于1%。該封裝的推薦尺寸如圖 6 所示。
圖6.最佳占地面積。
檢測跡線的布線也會對測量精度產(chǎn)生影響。為了達到最高精度,應在電阻的邊緣測量檢測電壓。圖7顯示了使用過孔將焊盤外邊緣布線到另一層的推薦布局,從而避免切割主電源層。
圖7.推薦的 PCB 走線布線。
本文中的數(shù)據(jù)可能不適用于所有電阻器,結果可能會有所不同,具體取決于電阻器的組成和尺寸。應咨詢電阻器制造商。用戶有責任確保封裝的布局尺寸和結構符合各個 SMT 制造要求。ADI公司對因使用此足跡而可能出現(xiàn)的任何問題不承擔任何責任。
審核編輯:郭婷
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