資料介紹
作者:Srudeep Patil(Maxim Integrated技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要成員)
引言:在必須測(cè)量電池流入或流出電流的應(yīng)用中,超高精度、高邊電流檢測(cè)至關(guān)重要。現(xiàn)在,許多數(shù)字多用表采用4線開爾文測(cè)量方法,以消除多用表測(cè)量線的串聯(lián)電阻,準(zhǔn)確測(cè)量給定電阻上的電壓降。類似地,電流監(jiān)測(cè)器(CSM)或電流檢測(cè)放大器(CSA)根據(jù)出入電池的電流測(cè)量分流電阻上的壓降。
(圖1. 開爾文男爵(1824-1907)肖像,休伯特·馮·赫科默(1849-1914)繪。)
在實(shí)際應(yīng)用中據(jù)此確定負(fù)載從電池吸入的電流量?,F(xiàn)在,系統(tǒng)功耗較小,需要高精度測(cè)量電池的剩余電量。為量化剩余的電量,就需要計(jì)算負(fù)載從電池吸收以及充電器充入到電池的每μA電流。所以,以極高精度測(cè)量分流電阻上的壓降就至關(guān)重要。
本文討論如何以較高精度測(cè)量分流電阻上的壓降。我們將介紹超高精度CSM如何利用普通連接測(cè)量分流電阻上的壓降,然后將該值與CSM數(shù)據(jù)資料中給出的精度指標(biāo)進(jìn)行比較。接著,我們探討利用相同CSM來提高測(cè)量精度的方法。采用四端子檢測(cè)電阻的成熟開爾文測(cè)量方法改進(jìn)測(cè)量。結(jié)果也表明,應(yīng)特別注意電路板布局。遵循本文中給出的布局實(shí)踐,我們可依賴開爾文測(cè)量方法,高精度測(cè)量檢測(cè)電阻上的毫伏級(jí)壓降。
開爾文電橋
在討論超高精度CSM/CSA之前,我們首先將時(shí)間回溯,了解一位令人印象深刻的科學(xué)家及先鋒工程師,開爾文男爵(圖1)。開爾文男爵的創(chuàng)造性成就是許多電子原理的基礎(chǔ),而我們?cè)谌粘I钪姓J(rèn)為這些原理是理所當(dāng)然的,比如說知道我們的手機(jī)什么時(shí)候需要充電。開爾文在測(cè)量極低電阻方面的工作方法仍然被現(xiàn)代化集成電路(IC)所采用。實(shí)際上,利用早期的開爾文原理及一些數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確測(cè)量電池容量時(shí),就可以防止過沖或過放延長(zhǎng)電池壽命。
按照今天的標(biāo)準(zhǔn),開爾文橋等早期儀器的精度令人驚奇。
圖2. 高精度測(cè)量極低電阻的早期開爾文電橋。
注意圖2中間的方框圖。左側(cè)為電池,下方為四根引線。外側(cè)的引線提供通過電阻X的電流,內(nèi)側(cè)的引線隔離測(cè)量電路。通過圖3更容易理解開爾文測(cè)量原理。
圖3. 開爾文測(cè)量方法原理圖。
通過將主電流通路與測(cè)量通路相隔離,開爾文提高了測(cè)量精度。圖3中,被測(cè)量主電流從左上方的電池流過安培計(jì)(A),在引線2和3之間的電阻“X” (底部的灰條)上產(chǎn)生電壓降。由于電壓計(jì)電路(V以及引線2和3)的輸入阻抗非常高,其中幾乎沒有電流通過,所以電壓計(jì)的測(cè)量精度比較高。在安培計(jì)、電池電阻以及引線1至4組成的主電路的所有部分,電流相同。然而,引線1和4產(chǎn)生串聯(lián)電阻,從而在引線上產(chǎn)生有限的電壓降。雖然電壓降非常小,但也降低了精度。通過將主電流通路與測(cè)量通路相隔離,開爾文測(cè)量方法提高了測(cè)量精度。當(dāng)然,如果已知三個(gè)參數(shù)(電壓、電流和電阻)中的任意兩個(gè),我們即可計(jì)算得到第三個(gè)參數(shù)。
電流檢測(cè)器的典型連接
圖4所示為監(jiān)測(cè)從電池流入至負(fù)載的電流的CSM連接。我們可能一開始認(rèn)為圖4中的連接沒有錯(cuò)誤。然而,該設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)不了CSA的±0.23%增益誤差指標(biāo)。設(shè)計(jì)問題實(shí)際上在于電路板布局方面的缺點(diǎn)和原理圖布局較差。
圖4. 測(cè)量檢測(cè)電阻壓降的典型連接。例子中作為電流監(jiān)測(cè)器的器件為MAX44286 CSA。
如果我們仔細(xì)研究圖4所示的原理圖布局并進(jìn)行一些調(diào)整,能夠保持電流監(jiān)測(cè)器的直流精度參數(shù),例如增益精度和輸入失調(diào)電壓。圖中所示的電流監(jiān)測(cè)器為MAX44286,采用4焊球晶圓級(jí)封裝(WLP),尺寸為0.78mm x 0.78mm x0.35mm。這些發(fā)現(xiàn)和建議也同樣適用于任意高精度CSA。盡管我們這里的分析以MAX44286為例,但結(jié)果真實(shí),也適用于所有高精度CSM。
我們首先用一個(gè)眾所周知的公理分析圖4:
在檢測(cè)電阻壓降為μV至mV級(jí)的高精度測(cè)量應(yīng)用中,增益精度或增益誤差是關(guān)鍵參數(shù)。所以:
所以,按照式2計(jì)算增益誤差,得到:
增益誤差(GE) =-0.23713148%
現(xiàn)在,這并不是我們所期望的CSM結(jié)果,因?yàn)樵揅SM的最大增益誤差指標(biāo)為±0.23%。
超高精度檢測(cè)放大器的另一項(xiàng)重要指標(biāo)是輸入失調(diào)電壓,由下式給出:
有一種方法可實(shí)現(xiàn)增益誤差低于±0.2%以及較好的輸入失調(diào)電壓。請(qǐng)參見圖5并注意其中比圖4中的走線多一些。
圖5. 兩個(gè)輸入、輸出和接地焊球上均采用開爾文連接的電路。再次以MAX44286 CSA作為 電流監(jiān)測(cè)器。
如果您稍加留意,會(huì)注意到圖5中使用了4端子電阻。4線開爾文配置支持通過兩個(gè)端子施加電流,通過另外兩個(gè)端子測(cè)量電壓。該設(shè)計(jì)消除了端子的電阻和溫度系數(shù),電流測(cè)量的精度更高。同樣,檢測(cè)電阻端子的走線位于電阻焊盤的正下方,從而防止檢測(cè)電阻上任何附加走線阻抗。
總結(jié)
我們可清楚看到,增益誤差和輸入VOS發(fā)生了明顯變化。因此,CSA的超高精度測(cè)量性能依賴于測(cè)試夾具的布局和元件布置。如果我們使用圖5所示的測(cè)量走線進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果精度非常高。在超高精度應(yīng)用中,毫伏級(jí)的檢測(cè)電壓對(duì)于毫安級(jí)的檢測(cè)電流非常重要。顯而易見,必須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)夭贾妹扛呔€。
從檢測(cè)電阻端子到對(duì)應(yīng)輸入焊球的走線形狀和長(zhǎng)度必須對(duì)稱。采用2端檢測(cè)電阻也能提供較高精度的讀數(shù),在溫度范圍內(nèi)為最大±0.23%。為了獲得更高精度的結(jié)果,需要使用4端檢測(cè)電阻。
所以,我們采用開爾文男爵的測(cè)量原理,保證了超高精度CSA的直流精度。高精度測(cè)量不僅依賴于良好的設(shè)計(jì)和CSA布局本身,也與電路板布局息息相關(guān)。
參考
1. 杰出的科學(xué)家及工程師開爾文男爵原名威廉·湯姆森。威廉·湯姆森在10歲時(shí)進(jìn)入格拉斯哥大學(xué),15歲時(shí)的一篇論文獲得金牌,這是他一生中眾多獎(jiǎng)項(xiàng)中的第一項(xiàng)。劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)畢業(yè)之后,威廉·湯姆森受聘成為格拉斯哥大學(xué)教授。威廉·湯姆森是當(dāng)時(shí)公認(rèn)的全球科學(xué)家先鋒,發(fā)表了600多篇論文。湯姆遜受封為爵士,就是后來著名的開爾文男爵。開爾文男爵肖像請(qǐng)參見以下網(wǎng)址: 。
(mbbeetchina)
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