通过改进低值分流电阻器的焊盘布局来优化大电流检测精度

电流检测电阻器具有各种形状和尺寸，用于测量许多汽车、电源控制和工业系统中的电流。当使用非常低值的电阻（几毫欧或更小）时，焊料的电阻成为检测元件电阻的很大一部分，并显着增加测量误差。高精度应用通常使用4端子电阻和开尔文检测来降低这种误差，但这些专用电阻可能很昂贵。此外，在测量大电流时，电阻焊盘的尺寸和设计在确定检测精度方面起着至关重要的作用。本文介绍一种替代方法，该方法使用具有4焊盘布局的标准低成本2焊盘检测电阻实现高精度开尔文检测。图1显示了用于表征由五种不同布局引起的误差的测试板。

图1.检测电阻布局测试PCB。

检流电阻器

常用的检流电阻提供低至 0.5 mΩ 的电阻值，采用 2512 外壳封装，功耗高达 3 W。为了突出最坏情况下的误差，这些实验采用了一个0.5 mΩ、3 W电阻和1%容差（Welwyn/TTelectronics的部件号ULRG3-2512-0M50-FLFSLT）。其尺寸和标准4线基底面如图2所示。

图2.（a） ULRG3-2512-0M50-FLFSLT电阻器尺寸;（b） 标准 4 焊盘封装。

传统足迹

对于开尔文检测，必须对标准2线封装中的焊盘进行划分，以便为系统电流和检测电流提供单独的路径。图 3 显示了此类布局的示例。系统电流采用红色箭头所示的路径。如果使用简单的 2 焊盘布局，则总电阻为：

为避免额外的电阻，电压检测走线需要直接布线至检测电阻焊盘。系统电流仍会导致上部焊点两端的压降显著，但检测电流将导致下部焊点两端的压降可以忽略不计。因此，这种分离焊盘方法消除了测量中的焊点电阻，提高了系统的总精度。

图3.开尔文感应。

优化开尔文足迹

图3所示布局比标准2焊盘方法有了显著改进，但对于极低值电阻（0.5 mΩ或更低），焊盘上检测点的物理位置和流过电阻的电流对称性变得更加重要。例如，ULRG3-2512-0M50-FLFSLT是一种固体金属合金电阻器，因此沿焊盘的每一毫米电阻都会影响有效电阻。使用校准电流，通过比较五个自定义封装的压降来确定最佳检测布局。

测试线路板

图 4 显示了在测试 PCB 上创建的五种布局模式，标记为 A 到 E。在可能的情况下，将迹线路由到沿传感垫不同位置的测试点，如颜色编码点所示。各个电阻器占位面积为：

标准 4 线电阻，基于 2512 推荐封装（参见图 2（b））。焊盘外边缘和内边缘（x 轴）的检测点对（X 和 Y）。

与A类似，但焊盘向内拉长，以更好地覆盖焊盘区域（见图2（a））。感应点位于焊盘的中心和末端。

通过使用焊盘的两侧提供更对称的系统电流。还将感知点移动到更中心的位置。感应点位于焊盘的中心和末端。

与C类似，但在最内侧连接系统电流焊盘。仅使用外部感应点。

A 和 B 的混合体。系统电流流过较宽的焊盘，检测电流流过较小的焊盘。检测点位于焊盘的外边缘和内边缘。

图4.测试PCB布局。

使用模板施加焊料并在回流炉中回流。使用了ULRG3-2512-0M50-FLFSLT电阻器。

测试程序

测试设置如图 5 所示。20 A的校准电流通过每个电阻器，而电阻保持在25°C。 在使能负载电流后不到1秒内测量产生的差分电压，以防止电阻温度上升超过1°C。 监测每个电阻器的温度，以确保测试结果记录在25°C。 20 A时，0.5 mΩ电阻两端的理想压降为10 mV。

图5.测试设置。

测试结果

表1显示了使用图4所示检测板位置的测量数据。

表 1.测量的电压和误差

 

脚印	感应垫	测量值（毫伏）	误差 （%）
一个	Y	9.55	4.5
	X	9.68	3.2
B	Y	9.50	5
	X	9.55	4.5
C	Y	9.80	2
	X	9.90	1
D	X	10.06	0.6
E	Y	9.59	4.1
	X	9.60	4
	顶垫*	12.28	22.8
*无开尔文感应。测量主大电流焊盘两端的电压，以证明与焊接电阻相关的误差。

 

观察

封装 C 和 D 的误差最小，结果和变化在各个电阻容差范围内相当。首选封装 C，因为它不太可能引起与元件放置公差相关的问题。

电阻器外端的检测点可在每种情况下提供最准确的结果。这表明电阻器的大小由制造商调整到整个长度。

请注意，在不使用开尔文检测的情况下，与阻焊电阻相关的误差为 22%。这是约0.144 mΩ的等效焊接电阻。

封装 E 演示了不对称焊盘布局的效果。在回流焊期间，元件被拉到焊料最多的焊盘上。应避免这种类型的足迹。

结论

根据所示结果，最佳封装为C，预期测量误差小于1%。该封装的推荐尺寸如图 6 所示。

图6.最佳占地面积。

检测迹线的布线也会对测量精度产生影响。为了达到最高精度，应在电阻的边缘测量检测电压。图7显示了使用过孔将焊盘外边缘布线到另一层的推荐布局，从而避免切割主电源层。

图7.推荐的 PCB 走线布线。

本文中的数据可能不适用于所有电阻器，结果可能会有所不同，具体取决于电阻器的组成和尺寸。应咨询电阻器制造商。用户有责任确保封装的布局尺寸和结构符合各个 SMT 制造要求。ADI公司对因使用此足迹而可能出现的任何问题不承担任何责任。

审核编辑：郭婷