大功率、低阻值检流电阻器的基础与应用

检流电阻器的基础知识

电路中的电流检测技术多种多样。其中最简单和最常见的方法之一是使用专用的检流电阻器。如下图所示,这种电阻器有两种用法。其一是图左侧的分流配置,其中大部分电流流经检流电阻器,而已知比例的电流流经电流表。该比例是已知电流表电阻和已知分流电阻的比例函数,因此可以计算出电路中的总电流。其二是图右侧的串联感测拓扑结构,其中所有电流都流经阻值较低的检流电阻器,再用高阻抗万用表测量其两端的电压。这样,电路中的总电流就可以运用欧姆定律轻松计算出来。

图1. 检流电阻器的分流配置与串联配置

很明显在这两种检流电阻拓扑中,电阻器会以热量的形式损耗部分功率。为了尽量减少功率损耗,应该尽量缩小检流电阻器的尺寸,不过这样会增加检测电路中的噪声。为实现令人满意的设计性能,必须谨慎权衡检测精度与功耗。

在选择检流电阻器时,还必须根据高温条件下的二阶效应仔细衡量。器件本身的电阻值会随着温度的升高而增大,如果电阻器无法得到充分冷却,那么必须考虑到在检测过程中的这种非理想状态。同样,当检流电阻器发热升温,达到特定温度后,必须降低容许的总功率损耗。通过仔细选择电阻器结构、封装几何结构和PCB布局等,可减轻温升所带来的不良影响。

检流电阻器的应用

检流电阻器可用在从低电流穿戴式设备到大功率电动汽车等众多应用中。然而,无论在哪种应用中,都适用一些通用的原则。选择电阻器时必须考虑合适的阻抗和检测范围。此外,还要全面考虑电阻因发热而产生的功率损耗问题。下图展示了两种常见的应用,一种用于电流较大的多相电机驱动器,另一种用于低电流的电池监控器。

图2. 用于电机驱动和电池监控应用的分流电阻器

在图2左侧的电机驱动电路中,检流电阻器用于监测经过低边晶体管流经电机绕组各相的电流。差分放大器用于检测感应电压并将其馈送至控制器IC中的模数转换器(ADC)。控制器IC使用该电压反馈来计算电机电流的大小和相位,进而控制晶体管驱动器的时序。

在图2右侧的电池监控电路中,通过专用电池管理IC上的ADC来测量流入和流出锂电池组的电流。这通常用来控制电池的充电,让充电过程遵照特定电流曲线。此外,同一电阻器也可以用来检测电池释放的总电量,为上游用户界面提供剩余电量读数。

大功率检流电阻器的分类

检流电阻器有两种不同的制造方式。第一种是基于传统的厚膜电阻结构,如下图所示,即在陶瓷衬底上印刷电阻膏经过烧结后,用激光调阻使电阻达到目标阻值,再经过涂装和组装,最终制成表面贴装型电阻器。

图3. 厚膜电阻结构

第二种方式是使用金属合金作为电阻结构,将其直接焊接到接触电极上。合金配方对于确定阻值及其热特性至关重要。这种电阻结构具有出色的功率和热性能表现,但其制造成本较高。下图给出了一个示例。

图4. 金属板电阻结构

除基本结构不同外,检流电阻器还具有多种封装形式,以满足不同的应用需求。传统的Top Mount封装形式成本最低,但额定功率也最低。Rear Mount封装形式可以使电阻元件与下层PCB之间直接接触散热,散热性能更出色。最后,长边电极型电阻则采用反向长宽比,这更大程度地扩大了引脚表面积。引脚可以提供良好的散热路径,因此在所有检流电阻器中这类产品的额定功率最高。

ROHM的大功率检流电阻器产品阵容

ROHM提供了丰富的产品阵容,可以满足各种应用对额定功率和电阻值等性能变量的不同需求。下图展示了ROHM的各系列分流电阻器及其性能范围。

图5. ROHM分流电阻器产品阵容

在金属板型分流电阻器领域,ROHM拥有PSR、GMR、PML和PMR系列产品。PSR系列主要是0.1mΩ~3mΩ范围的大电流、超低阻值电阻器。GMR系列支持5mΩ~220mΩ的更大阻值范围,并具有优异的温度特性。PM(PML和PMR)系列涵盖的阻值范围更宽,是适用于低功率应用的通用设计。

在厚膜分流电阻器领域,ROHM推出了LTR/LHR和UCR系列产品。LTR/LHR系列电阻器是1W~4W的低功率产品,具有优异的温度特性。LTR/LHR系列进一步优化了温度特性,仍然专注于低功率应用领域。而UCR系列则是适用于0.5W以下应用的通用产品。

ROHM开发并确立了一系列创新型结构和设计技术,打造出性能显著优于普通产品的出色产品群。例如GMR系列电阻器的热性能,通过采用ROHM自有的触点结构和特有的合金材料,实现了出色的温度系数。相较于普通产品,在3W功耗耗散功率条件下ROHM产品的表面温度降低了57%。这使得在设计阶段就可以采用更低的温度降额,从而可以节省空间并降低成本。

不仅如此,ROHM还开发出特殊的封装技术,例如长边电极和背面贴装(face-down)技术。如下图所示,长边电极产品优化了散热路径,通过接触散热将热量释放到周围路径中,这样就可以获得更高的额定功率并改进温度降额曲线。

图6. 长边电极式封装提高了热性能

结语

检流电阻器是用来监控众多电子设备中的电流的常见电路元件。ROHM已经开发出多种材料、结构和封装技术,打造了丰富的检流电阻器产品阵容,支持从低功率的通用设计到大电流高精度配置的各种应用领域。用户可根据总功率、总阻值和温度系数,在厚膜拓扑和金属拓扑结构中进行选择。在这些系列产品中,ROHM通过优化长宽比和封装结构,致力于更大程度地降低总成本并减少电路板面积,同时更大程度地提高性能。