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  • 采样电阻
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    2020-03-07 11:38:44

    电流采样

      为了在电源回路中,低成本的方案,尽可能准确的采集到回路电流,最常用的办法就是采样电阻。一般选用精密电阻串到电流回路中,计算好电流与阻值乘积为电压的关系,同时要考虑自身的功率情况,避免过流发热烧坏采样电阻本身。这种设计中,如果采样精度要求不是那么高,还可以使用“康铜丝”来进行设计。
      在采样电阻两端转化出来的电压差值,需要递送到运算放大器的同向输入端及反向输入端,进行差分放大,放大电路的设计要考虑需要进行放大的倍数,输出端信号给到单片机或ADC采样器时,ADC的电压范围。同时,也要考虑运算放大器的工作电压,应确定的与后级采样器相匹配。
      在采样电阻出来的差分电压信号,PCB设计时,如何走线到运算放大器,可以采用“开尔文”接法;以及两根差分信号线需要并行走线的方式将信号送入运放,这样才能尽可能保证差分信号 同时、少受干扰的到达运放。
      电流采样的原理图如下,运放通道的一路作为参考电压,这个运放将差分电压信号放大5倍,反向输入端的电压信号与GND等电位的,单独区别这个信号点目的是让采样电阻负极端的GND准确的送入放大器:电流采样原理图
      采样电阻开尔文接法,目的是准确采样到采样电阻两端的电压值:采样电阻开尔文接法

    • 电流采样还有其他办法,还有霍尔感应的方式,这种成本就相对高的多,但是在大电流的场合应用更适合。
    • 采样电阻采样还会存在一个问题,就是温漂的影响。采样值的精度、噪声会因为温度的变化而飘动。当然,目前的技术,高精度采样电阻受温度的影响已经足够小了。

    高低端问题

      采样电阻采样换算电流的方案,最好用低端采样的方案,也就是在电源回路连接到GND的网络点加入采样电阻,这样在差分信号送入运放的时候,才能被运算完整的差分、跟随、放大、输出。
      否则,将采样电阻放在高端进行,也就是电源正极输入的网络点,将采样电阻两端的差分信号,送到运放输入端时, 虽然差分电压值非常小,但实际的对地电压是非常高的。如果运放的工作电压是ADC采样器的电压,那这个差分信号对于运放来说,不能被正确跟随放大。除非,运放接入的电压是高于这个 采样点的对地电压。但是由于轨对轨原因,运放的实际接入电压最好高于采样点对地电压1-2V。这样的电路设计,运放的工作状态不是最理想的,电压的放大情况不尽如意。
      所以,采样电阻加运放的电流采样方法,最好是在低端进行。虽然,低端采样,由于共地干扰的原因会影响信号的纹波情况。但是相对高端来说,方案简单易行,成本低,可靠度高。
      有专门用于高端差分信号采样的运放,价格相对高出去许多。

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    不同芯片,采样电阻相对电池的位置有所不同。一般情况下,电池充电芯片的采样电阻在电池高侧,如图1所示;而电量计以及保护芯片的采样电阻则在电池低侧居多,如图2所示。

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    图1 充电芯片采样电阻

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    图2 电量计采样电阻

    由于采样电阻值较小,因此焊料的接触电阻以及器件的引脚电阻就都已经不能忽略,但是这些电阻值无法精确估算,且不同板卡之间可能差异很大,不具有一致性。如果直接从电阻两端读取电压,可能会有很大误差。因此为了保证充电电流检测精度,通常都是采用开尔文接法,如图3所示,直接从电流采样电阻的两个焊盘上引出走线连接到芯片管脚,大电流走线则从焊盘的另外位置引出,电压测试通道和电流主干道分开使用不同的触点,因此,电压测试通道基本没有电流,可以一定程度上排除上述接触电阻等影响,提高测试精度。

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    图3 采样电阻开尔文接法

    由于电流采样电阻上的电压信号相对大电流来说比较微弱,很容易受到干扰,因此,一般都会增加电容进行滤波,如图4所示,其中差模滤波电容必不可少,但是共模滤波电容则视情况可用可不用,如果地平面做的不好,导致各处地电平不一致,共模滤波反而可能导致电阻两端出现压差,影响精度。

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    图4

    进行PCB Layout时总的原则是将阻容等元器件尽量靠近芯片引脚,尤其采样电阻走线尽量短,避免受干扰影响。同时注意大电流回路的电源过孔和地过孔孔径要足够大,且数量足够多,以提供足够的电流承载能力,不产生过大的压降。

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    采样电阻是用于参考的电阻,通常在反馈电路中,调节电源的电路是例如,为了使输出电压保持恒定状态,从输出电压中取一部分电压作为参考(以共同采样电阻器的形式),如果输出较高,则输入端自动降低电压以减少输出。

    采样电阻又称为电流检测电阻、电流传感电阻、jabisin采样电阻和电流传感电阻。简单描述是,贴片采样电阻器具有小电阻,并且串联连接在电路中,用于将电流转换为用于测量的电压信号。采样电阻一般采用精密电阻,电阻值低,精度高。电阻值的精度一般在±1%以内,对电阻的精度要求较高,一般采用0.01%的精密电阻。国内厂家生产的插接电阻大多是用锰和铜制成的,但广大用户更需要的是贴片的高精度电阻来实现采样功能,以满足小型化产品生产自动化的要求。我国在低温系数、高精度密度、超低电阻等方面能满足用户要求的厂家寥寥无几。

    一般地,样品电阻的电阻将被选择为低于1欧姆,其属于Milli-OU级TEBI信用电阻,但是一些电阻,存在采样电压和其它要求,必须选择大的电阻电阻,但是该电阻基本大,导致大的误差。因此,在这种情况下,需要选择高精度的采样电阻。

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      采样电阻的用途:

    根据产品的功能划分采样电阻。在反馈电路中经常使用采样电阻。以稳压电源电路为例。为了保持输出电压恒定,取输出电压的一部分作为参考(以常用的采样电阻的形式)。如果输出高,输入会自动降低电压,降低输出;如果输出低,输入会自动升高电压,增加输出。它通常用于电力产品,或电子、数字和电子产品的电源部分,且功能强大。采样电阻在许多电子产品中经常出现。这种电阻是根据产品所使用的功能来划分的。采样电阻函数用作参考。它常用于反馈电路中。以稳压电源电路为例。为了保持输出电压恒定,取输出电压的一部分作为参考(以常用的采样电阻的形式)

      采样电阻的相关参数:

    1、高精度焊脚式取样电阻:1-50毫欧功率:1W-5W温度漂移:1.40ppm精度:1%/5%

    2、压脚式采样电阻:电阻:0.1-500毫欧功率:1w-5w温度漂移:?0ppm精度:1%/5%

    3、跳线采样电阻:电阻值:0-100毫欧功率:1-5W温度漂移:40ppm精度10%

    4、大功率高精度并联电阻:0.5-5毫欧功率:8w-12w温度漂移:?0ppm精度:1%/5%

    5、大功率模拟贴片电阻:电阻值:1-10毫欧功率:5W-8W温度漂移:4040ppm精度:3%

    6、零电阻:10-50A电流可制成贴片或插件,尺寸可定制。

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      采样电阻的选取:

    采样电阻的选择基于伺服驱动器的功率范围并且选择适当的电阻值。由于采样电阻较大,可以利用HCPL-7840的整个输入范围来提高采样电路的精度。但是,过大的电阻值会带来问题:一方面,可以收集的电流范围太小,不能充分发挥功率器件的最大输出容量;另一方面,大电阻值会增加采样电阻的功率损耗,这将带来严重的加热问题;从而影响采样电路的精度、响应电阻的精度和温升系数的非线性,甚至烧掉采样,虽然采样电阻可以提高采样电路的采样能力和采集大的电机电流,但它很小。如果采样电阻过小,将降低采样电阻的输出电压,使误差偏移和干扰噪声在信号幅度中的比例过大,降低采样精度。因此,采样电阻的计算一般用正常工作时流过采样电阻的峰值电流除以推荐输入电压,再乘以0.8~0.9的容限系数。为了提高采样电路的速度和灵敏度,需要采样电阻具有小的电感值。为了提高采样电阻的精度,减少色散功率损耗的热产生,可以通过取几个精密采样电阻并联或串联来消除电阻值的正负误差来提高精度。

    感谢用户对顺海科技电阻产品的信赖与支持,我司将为用户提供质量性能优越的贴片高压电阻器,技术咨询、免费申请样品等服务。了解更多采样电阻产品技术问题和报价问题等,关注我们哟!

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    一,基本原理

    根据欧姆定律,当被测电流流过电阻时,电阻两端的电压与电流成正比.当1W的电阻通过的电流为几百毫安时,这种设计是没有问题的.然而如果电流达到10-20A,情况就完全不同,因为在电阻上损耗的功率(P=I2xR)就不容忽视了.我们可以通过降低电阻阻值来降低功率损耗,但电阻两端的电压也会相应降低,所以基于取样分辨率的考虑,电阻的阻值也不允许太低.

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    二,长期稳定性

    对于任何传感器来说,长期稳定性都非常重要.甚至在使用了一些年后,人们都希望还能维持早期的精度.这就意味着电阻材料在寿命周期内一定要抗腐蚀,并且合金成分不能改变.要使测量元件满足这些要求,可以使用同质复合晶体组成的合金,通过退火和稳定处理的生产制程,以达到基本热力学状态.这样的合金的稳定性可以达到ppm/年的数量级,使其能用于标准电阻.

    表面贴装电阻 在140℃下老化1000小时后阻值只有大约-0.2%的轻微漂移,这是由于生产过程中轻微变形而导致的晶格缺损造成的.阻值漂移很大程度上由高温决定,因此在较低的温度下比如+100℃,这种漂移实际是检测不出来的.

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    三,端子连接

    在低阻值电阻中,端子的阻值和温度系数的影响往往是不能忽略的,实际设计中应充分考虑这些因素,可以使用附加的取样端子直接测量金属材料两端的电压.

    由电子束焊接的铜-锰镍铜电阻实际上具有这样低的端子阻值,通过合理的布线可以作为两端子电阻使用而接近四端子连接的性能.但是在设计时一定要注意取样电压的信号连线不能直接连接取样电阻的电流通道上,如果可能的话,最好能够从取样电阻下面连接到电流端子并设计成微带线.

    四,低阻值

    四引线设计推荐用于大电流和低阻值应用.通常的做法使用锰镍铜合金带直接冲压成电阻器,但这不是最好的办法.尽管四引线电阻有利于改进温度特性和热电压,但总阻值有时高出实际阻值2到3倍,这会导致难以接受的功率损耗和温升.此外,电阻材料很难通过螺丝或焊接与铜连接,也会增加接触电阻以及造成更大的损耗.

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    康铜丝电阻

    说到电流/电压的采样电路,就像上图中万用表中所使用的那样,那么,什么是康铜丝电阻呢?

    简单地说,康铜丝电阻是选用高精密合金丝并经过特殊工艺处理,其阻值低,精度高,温度系数低,具有无电感,高过载能力。

    正是因为康铜丝具备以上这些优良的电气特性,所以它被广泛用于通讯系统,电子整机,自动化控制的电源等回路作限流,均流或取样检测电路连接等。

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    康铜丝具有较低的电阻温度系数,较宽的使用温度范围(500℃以下),加工性能良好,具有良好的焊接性能(这很重要!)。

    此外还有一种新康铜电阻合金,为铜铁基同合金,它具有与康铜一样的电阻率,基本相近似的电阻温度系数,和相同的使用温度。

    锰铜丝电阻

    锰铜丝电阻和康铜丝电阻一样,同样是选用精密合金丝经过特殊工艺处理,使其阻值低,精度高,温度系数低,稳定性好;具有无电感,高过载能力。

    锰铜丝电阻同样被广泛用于通讯系统,电子整机,自动化控制的电源等回路作限流,均流或取样检测电路连接等。

    看过描述我们发现,貌似锰铜丝和康铜丝其实差不多,二者的电阻率也相差不多。

    采样电阻谁更好?

    两种电阻的性能用途无本质区别,但如果作为取样电阻更趋向于锰铜丝电阻,它的稳定性较好。

    康铜丝电阻阻值从0.1毫欧至100毫欧之间,功率从1瓦至30瓦,产品精度最高可达0.5%。

    锰铜丝电阻阻值从2毫欧至1欧之间,功率从1瓦至10瓦可选,精度为1%和5%。

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    从这张表中我们得出结论:康铜的电阻温度系数却是锰铜的4倍以上;康铜对铜的热电势比锰铜的参数大20-40倍以上;另外由于康铜的镍含量较高,所以在锡焊时,采用普通助焊剂的情况下,康铜不如锰铜易于焊接。

    总体而言,二者均可用做制造精密电阻的材料,但各有优势:锰铜的精密级别更高;康铜还可用于一定精度的大功率电阻的制造。

    简单采样电路的实现

    简约而不简单的三个公式:R=U/I;既然是采样电路,那么无非分为两种实际的应用,一种是电流采样,另一种则是电压采样,有时这仅仅是两种不同的叫法而已,实现方式则大同小异,只是特定的应用中,需要得到的量不同罢了。即使这样,根据不同的电路参数和需求,相应的采样电路也可能是大不相同,所以,我们在这里只说采样电阻的应用思路,不再讲那些“枯燥”的电路原理。

    对于普通爱好者来说,可能用到最多的,应该是小电流或者小电压的采样,对于这种电路而言,通俗地说,要想使用采样电阻实现电流或者电压的采样,常用的另外一种重要器件便是带有A/D转换功能的芯片,必要时还需要先将被采样电流或者电压进行放大,这里就用到了运放等功能芯片。

    如下图:

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    是的,基本原理就是这样的,通过将采样电阻串接到电路中,由于采样电阻的阻值非常小,所以基本上不会对原有电路造成影响,因为流过的电流会在采样电阻上形成相应的电压,那么,只要把电路中的电流转换为电压信号,然后用ADC量化转化为相应的数字信号,我们就可以成功得到这个量值,从而实现采样过程。

    AD的差分与单端输入

    当输入电压变化较大时,差分的两条信号线之间的电压差变化不大,而单端输入的一条线的电压变化时,GND不变,所以电压差变化较大,综上,差分输入比单端输入的抗干扰性强得多。

    另外,差分输入方式还可以有效抑制EMI,这是因为两条信号线极性相反,所以对外辐射的电磁场相互抵消,两条信号线耦合越紧密,泄露到外界的电磁能量就越少。

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