作者：Srudeep Patil（Maxim Integrated技術團隊主要成員） 引言:在必須測量電池流入或流出電流的應用中，超高精度、高邊電流檢測至關重要。現在，許多數字多用表采用4線開爾文測量方法，以消除多用表測量線的串聯電阻，準確測量給定電阻上的電壓降。類似地，電流監測器(CSM)或電流檢測放大器(CSA)根據出入電池的電流測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。） 在實際應用中據此確定負載從電池吸入的電流量。現在，系統功耗較小，需要高精度測量電池的剩余電量。為量化剩余的電量，就需要計算負載從電池吸收以及充電器充入到電池的每μA電流。所以，以極高精度測量分流電阻上的壓降就至關重要。 本文討論如何以較高精度測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量分流電阻上的壓降，然后將該值與CSM數據資料中給出的精度指標進行比較。接著，我們探討利用相同CSM來提高測量精度的方法。采用四端子檢測電阻的成熟開爾文測量方法改進測量。結果也表明，應特別注意電路板布局。遵循本文中給出的布局實踐，我們可依賴開爾文測量方法，高精度測量檢測電阻上的毫伏級壓降。 開爾文電橋 在討論超高精度CSM/CSA之前，我們首先將時間回溯，了解一位令人印象深刻的科學家及先鋒工程師，開爾文男爵(圖1)。開爾文男爵的創造性成就是許多電子原理的基礎，而我們在日常生活中認為這些原理是理所當然的，比如說知道我們的手機什么時候需要充電。開爾文在測量極低電阻方面的工作方法仍然被現代化集成電路(IC)所采用。實際上，利用早期的開爾文原理及一些數學方法準確測量電池容量時，就可以防止過沖或過放延長電池壽命。 按照今天的標準，開爾文橋等早期儀器的精度令人驚奇。 圖2. 高精度測量極低電阻的早期開爾文電橋。 注意圖2中間的方框圖。左側為電池，下方為四根引線。外側的引線提供通過電阻X的電流，內側的引線隔離測量電路。通過圖3更容易理解開爾文測量原理。 圖3. 開爾文測量方法原理圖。 通過將主電流通路與測量通路相隔離，開爾文提高了測量精度。圖3中，被測量主電流從左上方的電池流過安培計(A)，在引線2和3之間的電阻“X” (底部的灰條)上產生電壓降。由于電壓計電路(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，所以電壓計的測量精度比較高。在安培計、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產生串聯電阻，從而在引線上產生有限的電壓降。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量通路相隔離，開爾文測量方法提高了測量精度。當然，如果已知三個參數(電壓、電流和電阻)中的任意兩個，我們即可計算得到第三個參數。 電流檢測器的典型連接 圖4所示為監測從電池流入至負載的電流的CSM連接。我們可能一開始認為圖4中的連接沒有錯誤。然而，該設計將實現不了CSA的±0.23%增益誤差指標。設計問題實際上在于電路板布局方面的缺點和原理圖布局較差。 圖4. 測量檢測電阻壓降的典型連接。例子中作為電流監測器的器件為MAX44286 CSA。 如果我們仔細研究圖4所示的原理圖布局并進行一些調整，能夠保持電流監測器的直流精度參數，例如增益精度和輸入失調電壓。圖中所示的電流監測器為MAX44286，采用4焊球晶圓級封裝(WLP)，尺寸為0.78mm x 0.78mm x0.35mm。這些發現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，但結果真實，也適用于所有高精度CSM。 我們首先用一個眾所周知的公理分析圖4： 在檢測電阻壓降為μV至mV級的高精度測量應用中，增益精度或增益誤差是關鍵參數。所以： 所以，按照式2計算增益誤差，得到： 增益誤差(GE) =-0.23713148% 現在，這并不是我們所期望的CSM結果，因為該CSM的最大增益誤差指標為±0.23%。 超高精度檢測放大器的另一項重要指標是輸入失調電壓，由下式給出： 有一種方法可實現增益誤差低于±0.2%以及較好的輸入失調電壓。請參見圖5并注意其中比圖4中的走線多一些。 圖5. 兩個輸入、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 電流監測器。 如果您稍加留意，會注意到圖5中使用了4端子電阻。4線開爾文配置支持通過兩個端子施加電流，通過另外兩個端子測量電壓。該設計消除了端子的電阻和溫度系數，電流測量的精度更高。同樣，檢測電阻端子的走線位于電阻焊盤的正下方，從而防止檢測電阻上任何附加走線阻抗。 總結 我們可清楚看到，增益誤差和輸入VOS發生了明顯變化。因此，CSA的超高精度測量性能依賴于測試夾具的布局和元件布置。如果我們使用圖5所示的測量走線進行測量，測量結果精度非常高。在超高精度應用中，毫伏級的檢測電壓對于毫安級的檢測電流非常重要。顯而易見，必須嚴謹地布置每根走線。 從檢測電阻端子到對應輸入焊球的走線形狀和長度必須對稱。采用2端檢測電阻也能提供較高精度的讀數，在溫度范圍內為最大±0.23%。為了獲得更高精度的結果，需要使用4端檢測電阻。 所以，我們采用開爾文男爵的測量原理，保證了超高精度CSA的直流精度。高精度測量不僅依賴于良好的設計和CSA布局本身，也與電路板布局息息相關。 參考 1. 杰出的科學家及工程師開爾文男爵原名威廉·湯姆森。威廉·湯姆森在10歲時進入格拉斯哥大學，15歲時的一篇論文獲得金牌，這是他一生中眾多獎項中的第一項。劍橋大學數學專業畢業之后，威廉·湯姆森受聘成為格拉斯哥大學教授。威廉·湯姆森是當時公認的全球科學家先鋒，發表了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。開爾文男爵肖像請參見以下網址： 。 (mbbeetchina)