使用分流电阻器测量电流

[导读]泰克TICP系列IsoVu™ 隔离电流探头专门设计用于对分流电阻器两端进行低噪声、高带宽的电流测量。

分流电阻器是一种插入电路中测量电流的精密元件。在使用灵敏表头测量电流的电流表中，将分流电阻器与表头并联，就可以将部分电流从表头中“分流”出去。如今，一般通过将电阻器插入电路来进行“分流”，电阻器会相应地小幅降低电路中的电流电压。然后可以使用电压表或示波器测量该电压降，并利用欧姆定律将测得的电压除以电阻值，即可计算得出流经电路的电流。

图1. 可将已知电阻值的分流电阻器与负载串联，用以测量负载中的电流。通过测量已知分流电阻器两端的电压降，即可利用公式I=V/R计算出电流。

分流电阻器的类型

分流电阻器、电流感应电阻器和电流观察电阻器的工作原理相同，但其性能和预期用途可能有所不同。CVR，即电流观察电阻器，是分流电阻器的另一种说法。通常是指低值分流电阻器，具有受控的频率响应和非常准确的电阻，适用于精密动态测量应用。虽然CVR可以用于产品设计，但更常用于原型设计或提供临时测试点。CVR通常配备包含寄生元件的软件模型，便于进行精确模拟。

如上所述，电流感应电阻器也可用作分流电阻器，但该术语通常指作为产品设计组成部分的电阻器。可与放大器结合，用于测量电阻器两端的电压降。可结合的放大器既可以是独立的电流感应放大器，也可以是处理信号调节、隔离和模数转换的完全集成的功率监测集成电路。

分流电阻器的特性

分流电阻器通常设计为低电阻，以最大限度地减少电压降，并尽可能减少通过焦耳效应散热而产生的I2R功率损耗。分流电阻器必须具有足够的额定功率来承载被测电路中的电流。与任何其他组件一样，分流电阻器并不是“最佳”选择，因为电感会减少电流变化，因此串联电感是一个重要的考虑因素。

设计用于交流测量的分流电阻器通常采用扁宽外形。由于趋肤效应，交流电主要在导体外表面流动。因此，设计人员通常选择扁宽导体来优化表面积，保持较小的交流阻抗。

由于分流电阻的阻值可能非常小，以至于与连接线和接触电阻的阻值相当。因此，一些分流电阻器设计了四个端子，以实现开尔文连接。这种设计在电流和电压电极之间提供了物理分离，消除了连接线和接触电阻对测量的影响。实际上，分流电阻器的两个端子用于传输电流，另外两个端子用于连接电压表。由于电压表具有较高的输入阻抗，所以能够有效地消除流过电压测量端子的电流，最大限度地减少了电压连接中任何电阻的影响。

对设计工程师来说，为PCB设计选择合适的分流电阻器是一项重要任务。在设计过程中，尤其是为大规模生产进行设计时，他们通常需要在电气性能、封装尺寸、功率等级甚至单价之间做出权衡。

为帮助您选择合适的分流电阻器，以下列出了一些关键考虑因素。

● 准确度和公差：所需的测量精度决定了组件选择的具体范围。对于精确测量，应选择公差小（±0.1%或更小）的电阻器。在敏感应用中，较大的公差可能会引入误差。

● 寄生电感：在高频电流或电流变化快的测量中，一定要考虑电感。低电感电阻器非常适合这种应用场景，因为它们最大限度地减少了可能的测量误差，确保信号干净、准确。

● 温度系数：必须确保电阻器具有较低的温度系数（TCR），这样即使在温度波动的条件下，也能保持电阻器的稳定性。温度系数通常与功率耗散因素有关。

● 电流范围/额定功率：电流范围和功率额定值均需考虑。最大电流范围以及电阻值将决定最大功率耗散。此外，还必须考虑要测量的最小电流差，确保分流电阻器足够大，以产生可测量的电压降。功率等级通常会决定电阻器的尺寸和外形。

● 物理尺寸和外形：无论您需要的是表面贴装设计还是通孔设计，您选择的电阻器都应该满足上述条件，且适合您的系统可用空间。

分流电阻器的应用

分流电阻器具有设计简单、成本低和性能高的优点，因此适用于各种应用。它们广泛应用于以下领域：

● 常规测试与测量：分流电阻器可以嵌入电流表，也可以作为外部设备与被测负载串联。

● 电源和工业设备：用于电流监测和故障检测。

● 电机驱动和控制系统：用于测量和调节电流，优化性能。

● 电动汽车：高精度监测充电和放电电流。

● 移动设备：电流感应电阻器通常用于监测低电流设备的电流消耗。

分流电阻器在电路中的放置位置

在大多数应用中，应将分流电阻器的一个引脚放置在靠近地线一侧（通常称为“低边电流感应”）。这种做法将降低施加到用于测量分流器的电压表的共模电压。设计人员必须注意，测量的返回路径不能与交流信号路径共享，也不能与交流信号路径耦合，因为交流信号会在测量中引入噪声。

在某些情况下，将分流电阻器接地可能无法实现或者不可取。例如，最近汽车电源设计师考虑了将分流器直接连接到电源的优势，这种配置可以使他们快速检测下游路径上的潜在故障，从而有机会保护电路。这当然意味着分流器必须插入不接地的节点，因此应特别注意观察用于测量电压降的测量系统的共模电压规格。

图2. 如果可能，分流电阻器（例如该电路中的下方电流观察电阻器(CVR)）应接地。这将最大限度地减少共模电压，同时允许连接接地参考探头。测量上方CVR时，需要进行具有高共模抑制的差分测量。

测量仪器以及使用分流电阻器测量电流

一般来说，分流电阻器通过产生较小的可测量电压降来实现电流的准确测量。要准确测量电压降，需要使用电流表、数字万用表（DMM）和示波器等仪器。

电流表和DMM是测量直流电和交流电的最佳选择。它们是对交流和直流电源进行快速准确测量的首选工具。用于电流测量的仪表内部通常嵌入一个或多个分流电阻器。使用不同的电阻器可以实现多种电流范围。某些测量设备的测量结果极其精准，例如，Keithley DMM7510精密台式万用表可以测量pA（1x10-12 A）级别的直流电和nA（1x10-9 A）级别交流电。大多数DDM可以轻松地对50/60Hz的信号进行RMS测量，有些甚至可以测量高达几千赫兹的信号，但是测量导线通常在低于1MHz的频率下就达到其测量上限。

图3. DMM具有内置分流电阻器，用于准确测量电流。这款Keithley DMM7510可以测量pA（1x10-12 A）级别的直流电。请注意右下角的3A电流输入端口，该输入端口连接到其中一个内部分流电阻器。此DMM的背面还提供10A输入端口。

从历史上看，模拟电流表（或称为检流计）通过让电流流过一个线圈来感应电流，该线圈位于一个灵敏的仪表运动装置中。在这些仪器中，分流电阻器被用作分流器，通过将电流“分流”至远离运动的地方，从而使仪表能够测量更高的电流。尽管大多数现代仪器测量的是分流电阻器两端的电压降，但“分流”这个术语仍然保留了下来。

● 数字万用表（DMM）能够测量电压、电阻和电流。DMM通常具有一个或多个内置分流器，用于测量交流或直流电流。在交流或直流电压模式下，DMM还可以测量外部分流电阻器两端的电压降。使用带分流电阻器的DMM时，万用表连接在两侧电阻端子上，用以测量电压降并显示相应的电流值。DMM非常适用于准确读取低电流和高电流电路中的电流，因此应用非常广泛。

● 电流表专为测量电流而设计，非常适合需要连续监测电路电流的应用。电流表通常内置于电源或其他设备中，用于实时反馈。

使用示波器测量电流

对于直流和低频交流电流测量，示波器通常不如DMM准确，但对于测量兆赫兹级频率的瞬态和快速变化电流，示波器非常有用。示波器还可以让工程师直观地看到被测设备中电流相对于其他活动和参数的情况，其他活动和参数包括电压、开关事件、传感器信号和控制信号。该功能在测试高速数字系统、牵引逆变器和电源等系统时特别有用，因为这些系统中的电流会随着负载的变化而迅速上升或下降。

要测量电流，示波器必须配备能够将电流转换为电压的探头。电流转换可以基于磁传感器，也可以基于分流电阻器。两种方法均可为示波器提供电压信号，且电压信号可数字化并随时间变化进行显示。

图4. 示波器可以使用钳式电流探头来测量电流，也可以通过测量分流电阻器两端的电压降来测量电流。在此示例中，电阻器未接地，因此使用了分流电流探头。

磁电流探头

互感器、罗氏线圈和霍尔效应探头与示波器协同工作，无需断开电路即可测量电流。互感器和罗氏线圈仅可用于测量交流电。因此，示波器的交流/直流电流探头将互感器作用与霍尔效应传感器结合在一起。如果可以在待测设备中设计或作为临时测试点加入一段导线或母线，使用此类探头则方便且有效。然而，即使是TCP0030A等高性能钳式电流探头，也有测量限制，最大可测量120Mhz的电流，最小可测量mA级别的电流。尽管采用磁探头测量时不需要“断开电路”，但一定要记住，磁探头确实会给被测电路引入感性负载，这在高频测量时尤为显著。在120Mhz的频率下，TCP0030A的插入阻抗为0.85Ω。

分流电阻器两端的电压降

测量已知电阻器两端的电压降是一种测量电路电流的直接方法。被测设备内任何已知低值串联电阻均可用作电流测量分流器。也可以通过插入适当额定值的电阻器与负载串联，以添加测试点。如果示波器具有测量缩放功能（通常位于探头菜单中），则可以将电压读数除以恒定电阻值来换算出电流值。

● 如上所述，理想情况下，分流电阻器的一个引脚应接地。如果电阻器的一条引脚接地，则可以使用无源接地参考探头。如果电阻器的一个端子不能接地，则应使用差分电压探头。即使使用差分探头，也最好将分流电阻器放置在靠近接地的位置，以尽量减少共模电压。

● 分流器的电阻必须远小于示波器或探头的电阻。

● 对于高频测量，分流电阻器的寄生电容和电感将产生影响，因此，应使用专为高频应用而设计的感应电阻器或CVR。

虽然无源探头和差分电压探头可用于测量分流电阻器两端的电压波形，但也有一些缺点：

● 通常会衰减信号，导致信噪比降低。

● 高输入阻抗和分流电容会影响噪声性能。

● 对于无法接地的分流器

◎ 不能使用无源探头

◎ 差分探头可能无法提供足够的共模电压抑制

◎ 共模抑制通常不足以防止噪声