论
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48V 电源做 20A 电流检测,串一个 1mΩ 的分流电阻,满量程压降只有 20mV——信号本身已经很小,偏偏还有一个比它大得多的误差源藏在 PCB 走线里:铜的电阻率。1oz 铜厚 35μm,一段长 10mm、宽 1mm 的走线,截面积 3.5×10⁻⁸m²,电阻 R=ρL/A=1.68×10⁻⁸×0.01/3.5×10⁻⁸≈4.8mΩ,是 1mΩ 采样电阻的近 5 倍。如果电流检测放大器的两个取样点不是精确落在电阻两端,而是各往外挪了几毫米,串进来的走线电阻会直接叠加到采样值上,误差轻松超过 20%,而且这个误差随温度漂移——铜的温度系数约 3930ppm/°C,温升 25°C 就让走线电阻再涨约 10%。
开尔文接法(四线制)就是为了解决这个问题:电流从电阻两端的大焊盘流入流出,电压检测走线从电阻本体两端的内侧单独引出,只采电阻两端的真实压降,不采走线上的压降。布局上有四条铁律:第一,检测走线必须从电阻焊盘内侧、也就是电阻本体边缘引出,而不是从焊盘外侧或电流走线上分叉;第二,两根检测走线要对称、等长、就近成对走线,减少差模噪声拾取;第三,检测走线不要穿过开关节点、大电流回路等噪声源,必要时在放大器输入端加一级 RC 滤波(注意滤波电阻会与放大器输入偏置电流产生额外失调,要按放大器手册核算);第四,采样电阻本身要选低温度系数的型号,精密电流检测通常用 50ppm/°C 以内的低温漂电阻,配合开尔文接法才能把全温区误差压到 1% 以内。
再算一笔完整误差账:1mΩ 电阻、20A 电流、20mV 满量程信号,放大器增益 50 倍输出 1V。误差来源有三项:电阻容差 1% 直接贡献 1%;温度系数 50ppm/°C、温升 40°C 贡献 0.2%;放大器输入失调电压 50μV 折合到输入端占 20mV 的 0.25%。三项按方和根合成约 1.05%,这才是可交付的精度指标。反过来如果省掉开尔文接法,只串进 2mΩ 走线电阻一项就贡献 200% 的量级误差(相对 1mΩ),再好的放大器也救不回来。结论很直接:毫欧级电流检测,布局就是精度,焊盘内侧那两根细线,值多少钱都值得认真画。
开尔文接法(四线制)就是为了解决这个问题:电流从电阻两端的大焊盘流入流出,电压检测走线从电阻本体两端的内侧单独引出,只采电阻两端的真实压降,不采走线上的压降。布局上有四条铁律:第一,检测走线必须从电阻焊盘内侧、也就是电阻本体边缘引出,而不是从焊盘外侧或电流走线上分叉;第二,两根检测走线要对称、等长、就近成对走线,减少差模噪声拾取;第三,检测走线不要穿过开关节点、大电流回路等噪声源,必要时在放大器输入端加一级 RC 滤波(注意滤波电阻会与放大器输入偏置电流产生额外失调,要按放大器手册核算);第四,采样电阻本身要选低温度系数的型号,精密电流检测通常用 50ppm/°C 以内的低温漂电阻,配合开尔文接法才能把全温区误差压到 1% 以内。
再算一笔完整误差账:1mΩ 电阻、20A 电流、20mV 满量程信号,放大器增益 50 倍输出 1V。误差来源有三项:电阻容差 1% 直接贡献 1%;温度系数 50ppm/°C、温升 40°C 贡献 0.2%;放大器输入失调电压 50μV 折合到输入端占 20mV 的 0.25%。三项按方和根合成约 1.05%,这才是可交付的精度指标。反过来如果省掉开尔文接法,只串进 2mΩ 走线电阻一项就贡献 200% 的量级误差(相对 1mΩ),再好的放大器也救不回来。结论很直接:毫欧级电流检测,布局就是精度,焊盘内侧那两根细线,值多少钱都值得认真画。
