资料介绍
作者:Srudeep Patil(Maxim Integrated技术团队主要成员)
引言:在必须测量电池流入或流出电流的应用中,超高精度、高边电流检测至关重要。现在,许多数字多用表采用4线开尔文测量方法,以消除多用表测量线的串联电阻,准确测量给定电阻上的电压降。类似地,电流监测器(CSM)或电流检测放大器(CSA)根据出入电池的电流测量分流电阻上的压降。
(图1. 开尔文男爵(1824-1907)肖像,休伯特·冯·赫科默(1849-1914)绘。)
在实际应用中据此确定负载从电池吸入的电流量。现在,系统功耗较小,需要高精度测量电池的剩余电量。为量化剩余的电量,就需要计算负载从电池吸收以及充电器充入到电池的每µA电流。所以,以极高精度测量分流电阻上的压降就至关重要。
本文讨论如何以较高精度测量分流电阻上的压降。我们将介绍超高精度CSM如何利用普通连接测量分流电阻上的压降,然后将该值与CSM数据资料中给出的精度指标进行比较。接着,我们探讨利用相同CSM来提高测量精度的方法。采用四端子检测电阻的成熟开尔文测量方法改进测量。结果也表明,应特别注意电路板布局。遵循本文中给出的布局实践,我们可依赖开尔文测量方法,高精度测量检测电阻上的毫伏级压降。
开尔文电桥
在讨论超高精度CSM/CSA之前,我们首先将时间回溯,了解一位令人印象深刻的科学家及先锋工程师,开尔文男爵(图1)。开尔文男爵的创造性成就是许多电子原理的基础,而我们在日常生活中认为这些原理是理所当然的,比如说知道我们的手机什么时候需要充电。开尔文在测量极低电阻方面的工作方法仍然被现代化集成电路(IC)所采用。实际上,利用早期的开尔文原理及一些数学方法准确测量电池容量时,就可以防止过冲或过放延长电池寿命。
按照今天的标准,开尔文桥等早期仪器的精度令人惊奇。
图2. 高精度测量极低电阻的早期开尔文电桥。
注意图2中间的方框图。左侧为电池,下方为四根引线。外侧的引线提供通过电阻X的电流,内侧的引线隔离测量电路。通过图3更容易理解开尔文测量原理。
图3. 开尔文测量方法原理图。
通过将主电流通路与测量通路相隔离,开尔文提高了测量精度。图3中,被测量主电流从左上方的电池流过安培计(A),在引线2和3之间的电阻“X” (底部的灰条)上产生电压降。由于电压计电路(V以及引线2和3)的输入阻抗非常高,其中几乎没有电流通过,所以电压计的测量精度比较高。在安培计、电池电阻以及引线1至4组成的主电路的所有部分,电流相同。然而,引线1和4产生串联电阻,从而在引线上产生有限的电压降。虽然电压降非常小,但也降低了精度。通过将主电流通路与测量通路相隔离,开尔文测量方法提高了测量精度。当然,如果已知三个参数(电压、电流和电阻)中的任意两个,我们即可计算得到第三个参数。
电流检测器的典型连接
图4所示为监测从电池流入至负载的电流的CSM连接。我们可能一开始认为图4中的连接没有错误。然而,该设计将实现不了CSA的±0.23%增益误差指标。设计问题实际上在于电路板布局方面的缺点和原理图布局较差。
图4. 测量检测电阻压降的典型连接。例子中作为电流监测器的器件为MAX44286 CSA。
如果我们仔细研究图4所示的原理图布局并进行一些调整,能够保持电流监测器的直流精度参数,例如增益精度和输入失调电压。图中所示的电流监测器为MAX44286,采用4焊球晶圆级封装(WLP),尺寸为0.78mm x 0.78mm x0.35mm。这些发现和建议也同样适用于任意高精度CSA。尽管我们这里的分析以MAX44286为例,但结果真实,也适用于所有高精度CSM。
我们首先用一个众所周知的公理分析图4:
在检测电阻压降为µV至mV级的高精度测量应用中,增益精度或增益误差是关键参数。所以:
所以,按照式2计算增益误差,得到:
增益误差(GE) =-0.23713148%
现在,这并不是我们所期望的CSM结果,因为该CSM的最大增益误差指标为±0.23%。
超高精度检测放大器的另一项重要指标是输入失调电压,由下式给出:
有一种方法可实现增益误差低于±0.2%以及较好的输入失调电压。请参见图5并注意其中比图4中的走线多一些。
图5. 两个输入、输出和接地焊球上均采用开尔文连接的电路。再次以MAX44286 CSA作为 电流监测器。
如果您稍加留意,会注意到图5中使用了4端子电阻。4线开尔文配置支持通过两个端子施加电流,通过另外两个端子测量电压。该设计消除了端子的电阻和温度系数,电流测量的精度更高。同样,检测电阻端子的走线位于电阻焊盘的正下方,从而防止检测电阻上任何附加走线阻抗。
总结
我们可清楚看到,增益误差和输入VOS发生了明显变化。因此,CSA的超高精度测量性能依赖于测试夹具的布局和元件布置。如果我们使用图5所示的测量走线进行测量,测量结果精度非常高。在超高精度应用中,毫伏级的检测电压对于毫安级的检测电流非常重要。显而易见,必须严谨地布置每根走线。
从检测电阻端子到对应输入焊球的走线形状和长度必须对称。采用2端检测电阻也能提供较高精度的读数,在温度范围内为最大±0.23%。为了获得更高精度的结果,需要使用4端检测电阻。
所以,我们采用开尔文男爵的测量原理,保证了超高精度CSA的直流精度。高精度测量不仅依赖于良好的设计和CSA布局本身,也与电路板布局息息相关。
参考
1. 杰出的科学家及工程师开尔文男爵原名威廉·汤姆森。威廉·汤姆森在10岁时进入格拉斯哥大学,15岁时的一篇论文获得金牌,这是他一生中众多奖项中的第一项。剑桥大学数学专业毕业之后,威廉·汤姆森受聘成为格拉斯哥大学教授。威廉·汤姆森是当时公认的全球科学家先锋,发表了600多篇论文。汤姆逊受封为爵士,就是后来著名的开尔文男爵。开尔文男爵肖像请参见以下网址: 。
(mbbeetchina)
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