基于亚毫欧电流检测的精密低压运算放大器设计

与许多工程决策一样，选择使用什么电阻值是一种权衡。较高值的电阻器会产生较高的 IR 压降和其端子上的电压，从而简化电压检测并提高 SNR。但是，它会降低可能流向负载的功率，并且这种耗散也会导致电阻器自热，从而带来漂移和可靠性问题。

用于测量负载电流的标准方法之一是在负载线中插入一个低阻值电阻器并检测其两端的电压，图 1，然后是欧姆定律的模拟或数字实现。

图 1 (a) 电流检测电阻器可以放置在电源轨和负载之间(高端)，或者 (b) 放置在负载和地之间(低端);高端传感更难实现，但在许多情况下具有显着的系统优势。

相比之下，低阻值电阻可以最大限度地减少这种下降，但会带来精度和 SNR 问题。由于输入电压偏移和偏置电流以及它们随后的温度相关漂移，检测放大器电路(几乎总是为此类应用设计的运算放大器)中的缺陷也会影响较低的电压降 - 所有这些这可能会破坏超出允许公差的感测值。

一般来说，最好使用较小值的电阻器，其相关电压降和功率损耗较低，总体上更好，但只能达到一定程度。一个起点指导原则是在最大电流下为大约 100 mV 压降确定电阻器的大小。对于许多应用，快速 V = IR 计算将电流检测电阻值置于 1 到 10 毫欧之间。然而，在低压应用中，即使是适度的 100 mV 压降和相关的耗散，也可能超出可接受的范围。

近年来，用于读取检测电阻器两端电压的精密低压运算放大器的出现使得使用亚毫欧电流检测电阻器成为可能。这些运算放大器(例如德州仪器 TI INA185和 Analog Devices AD8417)具有超低电压偏移和偏置电流以及低温度系数 (tempcos)，因此可以使用这种低欧姆电阻器。

然而，与几乎每一次进步一样，都有一系列新的考虑和担忧。我看到了 TT Electronics 的业务开发工程师 Stephen Oxley 撰写的一篇出色的应用说明。他讨论了如何克服使用这些低欧姆值电流检测电阻器时固有的挑战，图 2。

图 2 TT Electronics 的 LRMAP3920 系列表面贴装电阻器的尺寸约为 5 × 10 mm，可提供 0.2 mΩ 至 3 mΩ 的值。

在他的篇幅相对适中且可读性强的文章“克服使用亚毫欧 SMD 的挑战”中，他解释了使用这些电阻器与毫欧级电阻器不同的许多方式，以及它们如何不恰当地应用，从而使其精度，一致性，甚至可信度都会受到影响。

应用笔记提供了在使用亚毫欧检测电阻时需要注意的三个方面：

· 如何以及为什么将这些亚毫欧芯片视为一个单独的组件类别，而不仅仅是毫欧版本的低价值版本。

· 如何避免元件选择和PCB布局设计过程中的陷阱。

· 在每个阶段量化和最小化错误和变化的方法。

在众多细节中，有与几乎强制使用四线开尔文连接有关的问题，以及连接位置和方式的细微差异如何影响性能;预测和适应由不同金属结处的热电效应产生的电压差;整个传感组件的电流路径和电压传感回路;使用多个并联电阻的不同方式来降低净电阻或增加额定功率(图 3);当然，还有不可避免的散热问题。简而言之：当我们的检测电阻器本身为亚毫欧时，电阻器到电路的路径和接触电阻成为故事的重要组成部分。

图 3即使是使用两个并联电阻的简单原理，在使用超低阻值电阻时，也会在电流路径方面带来微妙的布局考虑。

我不会详细总结这篇文章;你读它更有意义。请注意，这篇文章几乎完全是关于电阻器、材料、终端和电流路径的，几乎没有提到相关的电子设备——这是另一个你必须计算错误预算的地方。

再一次，最初看起来是一个简单而有益的选择，实际上充满了许多微妙之处以及错误应用新组件的方法，从而否定了它可能提供的任何好处。毕竟，还有什么比检测电阻和欧姆定律更基本的呢?

更糟糕的是，我们实际上可能会得到较差的结果而不知道它，并假设我们的读数是准确且一致的，结果却发现信号和数据具有误导性。它再次证明了这样一个事实，即任何说“这是一个简单的转换”或“一切都很好”的人要么是资深的、经验丰富的工程师，要么是专业知识的另一端。

我们是否曾经将新的设计或组件选项视为一种改进的、有益的替代方案，但后来发现它也有令人惊讶的缺点?这些负面因素是你可以通过做更多的功课来预测和更好地评估的，还是故意或只是由于情况的复杂性而被埋得很深?