大功率、低阻值檢流電阻器的基礎與應用

        檢流電阻器的基礎知識

        電路中的電流檢測技術多種多樣。其中最簡單和最常見的方法之一是使用專用的檢流電阻器。如下圖所示,這種電阻器有兩種用法。其一是圖左側的分流配置,其中大部分電流流經(jīng)檢流電阻器,而已知比例的電流流經(jīng)電流表。該比例是已知電流表電阻和已知分流電阻的比例函數(shù),因此可以計算出電路中的總電流。其二是圖右側的串聯(lián)感測拓撲結構,其中所有電流都流經(jīng)阻值較低的檢流電阻器,再用高阻抗萬用表測量其兩端的電壓。這樣,電路中的總電流就可以運用歐姆定律輕松計算出來。

        圖1. 檢流電阻器的分流配置與串聯(lián)配置

        很明顯在這兩種檢流電阻拓撲中,電阻器會以熱量的形式損耗部分功率。為了盡量減少功率損耗,應該盡量縮小檢流電阻器的尺寸,不過這樣會增加檢測電路中的噪聲。為實現(xiàn)令人滿意的設計性能,必須謹慎權衡檢測精度與功耗。

        在選擇檢流電阻器時,還必須根據(jù)高溫條件下的二階效應仔細衡量。器件本身的電阻值會隨著溫度的升高而增大,如果電阻器無法得到充分冷卻,那么必須考慮到在檢測過程中的這種非理想狀態(tài)。同樣,當檢流電阻器發(fā)熱升溫,達到特定溫度后,必須降低容許的總功率損耗。通過仔細選擇電阻器結構、封裝幾何結構和PCB布局等,可減輕溫升所帶來的不良影響。

        檢流電阻器的應用

        檢流電阻器可用在從低電流穿戴式設備到大功率電動汽車等眾多應用中。然而,無論在哪種應用中,都適用一些通用的原則。選擇電阻器時必須考慮合適的阻抗和檢測范圍。此外,還要全面考慮電阻因發(fā)熱而產(chǎn)生的功率損耗問題。下圖展示了兩種常見的應用,一種用于電流較大的多相電機驅動器,另一種用于低電流的電池監(jiān)控器。

        圖2. 用于電機驅動和電池監(jiān)控應用的分流電阻器

        在圖2左側的電機驅動電路中,檢流電阻器用于監(jiān)測經(jīng)過低邊晶體管流經(jīng)電機繞組各相的電流。差分放大器用于檢測感應電壓并將其饋送至控制器IC中的模數(shù)轉換器(ADC)?？刂破鱅C使用該電壓反饋來計算電機電流的大小和相位,進而控制晶體管驅動器的時序。

        在圖2右側的電池監(jiān)控電路中,通過專用電池管理IC上的ADC來測量流入和流出鋰電池組的電流。這通常用來控制電池的充電,讓充電過程遵照特定電流曲線。此外,同一電阻器也可以用來檢測電池釋放的總電量,為上游用戶界面提供剩余電量讀數(shù)。

        大功率檢流電阻器的分類

        檢流電阻器有兩種不同的制造方式。第一種是基于傳統(tǒng)的厚膜電阻結構,如下圖所示,即在陶瓷襯底上印刷電阻膏經(jīng)過燒結后,用激光調阻使電阻達到目標阻值,再經(jīng)過涂裝和組裝,最終制成表面貼裝型電阻器。

        圖3. 厚膜電阻結構

        第二種方式是使用金屬合金作為電阻結構,將其直接焊接到接觸電極上。合金配方對于確定阻值及其熱特性至關重要。這種電阻結構具有出色的功率和熱性能表現(xiàn),但其制造成本較高。下圖給出了一個示例。

        圖4. 金屬板電阻結構

        除基本結構不同外,檢流電阻器還具有多種封裝形式,以滿足不同的應用需求。傳統(tǒng)的Top Mount封裝形式成本最低,但額定功率也最低。Rear Mount封裝形式可以使電阻元件與下層PCB之間直接接觸散熱,散熱性能更出色。最后,長邊電極型電阻則采用反向長寬比,這更大程度地擴大了引腳表面積。引腳可以提供良好的散熱路徑,因此在所有檢流電阻器中這類產(chǎn)品的額定功率最高。

        ROHM的大功率檢流電阻器產(chǎn)品陣容

        ROHM提供了豐富的產(chǎn)品陣容,可以滿足各種應用對額定功率和電阻值等性能變量的不同需求。下圖展示了ROHM的各系列分流電阻器及其性能范圍。

        圖5. ROHM分流電阻器產(chǎn)品陣容

        在金屬板型分流電阻器領域,ROHM擁有PSR、GMR、PML和PMR系列產(chǎn)品。PSR系列主要是0.1mΩ~3mΩ范圍的大電流、超低阻值電阻器。GMR系列支持5mΩ~220mΩ的更大阻值范圍,并具有優(yōu)異的溫度特性。PM(PML和PMR)系列涵蓋的阻值范圍更寬,是適用于低功率應用的通用設計。

        在厚膜分流電阻器領域,ROHM推出了LTR/LHR和UCR系列產(chǎn)品。LTR/LHR系列電阻器是1W~4W的低功率產(chǎn)品,具有優(yōu)異的溫度特性。LTR/LHR系列進一步優(yōu)化了溫度特性,仍然專注于低功率應用領域。而UCR系列則是適用于0.5W以下應用的通用產(chǎn)品。

        ROHM開發(fā)并確立了一系列創(chuàng)新型結構和設計技術,打造出性能顯著優(yōu)于普通產(chǎn)品的出色產(chǎn)品群。例如GMR系列電阻器的熱性能,通過采用ROHM自有的觸點結構和特有的合金材料,實現(xiàn)了出色的溫度系數(shù)。相較于普通產(chǎn)品,在3W功耗耗散功率條件下ROHM產(chǎn)品的表面溫度降低了57%。這使得在設計階段就可以采用更低的溫度降額,從而可以節(jié)省空間并降低成本。

        不僅如此,ROHM還開發(fā)出特殊的封裝技術,例如長邊電極和背面貼裝(face-down)技術。如下圖所示,長邊電極產(chǎn)品優(yōu)化了散熱路徑,通過接觸散熱將熱量釋放到周圍路徑中,這樣就可以獲得更高的額定功率并改進溫度降額曲線。

        圖6. 長邊電極式封裝提高了熱性能

        結語

        檢流電阻器是用來監(jiān)控眾多電子設備中的電流的常見電路元件。ROHM已經(jīng)開發(fā)出多種材料、結構和封裝技術,打造了豐富的檢流電阻器產(chǎn)品陣容,支持從低功率的通用設計到大電流高精度配置的各種應用領域。用戶可根據(jù)總功率、總阻值和溫度系數(shù),在厚膜拓撲和金屬拓撲結構中進行選擇。在這些系列產(chǎn)品中,ROHM通過優(yōu)化長寬比和封裝結構,致力于更大程度地降低總成本并減少電路板面積,同時更大程度地提高性能。