Введение
Токоизмерительные резисторы различных форм и размеров используются для измерения тока во многих автомобильных приложениях, системах управления питанием и промышленном оборудовании. При использовании очень низкоомных резисторов (несколько миллиом или меньше) сопротивление припоя становится существенной частью сопротивления чувствительного элемента и значительно увеличивает погрешность измерения. Чтобы уменьшить ошибку, в высокоточных приложениях часто используются 4-контактные резисторы и подключение Кельвина, но такие резисторы специального назначения могут быть дорогими. Кроме того, в определении точности измерения больших токов решающую роль играют размеры и конструкция контактов резисторов. В этой статье описывается альтернативный подход, обеспечивающий высокоточное измерение методом Кельвина с использованием стандартного недорогого токоизмерительного резистора с двумя выводами, припаиваемого к четырем контактным площадкам. На Рисунке 1 показана тестовая плата, использованная при оценке ошибок для пяти различных вариантов разводки.
 |
|
| Рисунок 1. | Тестовая плата с различными вариантами разводки токоизмерительных резисторов. |
Токоизмерительный резистор
Обычно используемые токоизмерительные резисторы, которые могут иметь сопротивления всего 0.5 мОм, выпускаются в корпусах типоразмера 2512, рассеивающих мощность до 3 Вт. Чтобы выявить ошибки для наихудшего случая, в этих экспериментах использовался резистор 0.5 мОм, 3 Вт с допуском 1% типа ULRG3-2512-0M50-FLFSLT компании TT Electronics. Размеры резистора и стандартная разводка с четырьмя контактными площадками показаны на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Размеры резистора ULRG3-2512-0M50-FLFSLT (а). Стандартная разводка с четырьмя контактными площадками (б). |
Резистор со стандартными контактами
 |
|
| Рисунок 3. | Подключение Кельвина. |
Для измерения Кельвина стандартные контактные площадки должны быть разделены, чтобы обеспечить отдельные пути для системных токов и токов считывания. Пример такой разводки показан на Рисунке 3. Ток системы проходит по пути, показанному красной стрелкой. При использовании стандартной разводки с двумя контактными площадками общее сопротивление RTOTAL будет равно:
RTOTAL = RSENSE + (2 × RSOLDER)
где
RSENSE – сопротивление токоизмерительного резистора,
RSOLDER – сопротивление припоя.
Чтобы исключить влияние дополнительного сопротивления, дорожки считывания напряжения должны быть проложены непосредственно к контактным площадкам токоизмерительного резистора. Системный ток по-прежнему будет создавать значительное падение напряжения на верхних паяных соединениях, но токи считывания вызовут лишь незначительное падение напряжения на нижних паяных соединениях. Таким образом, этот подход с разделенными контактными площадками исключает из измерения сопротивление паяного соединения и повышает общую точность системы.
Оптимизация топологии Кельвина
Схема, показанная на Рисунке 3, является значительным улучшением стандартного подхода с двумя контактными площадками, но при очень низких сопротивлениях резисторов (0.5 мОм или менее) большее значение приобретают физическое расположение точки замера на контактной площадке и симметрия тока, протекающего через резистор. Например, ULRG3-2512-0M50-FLFSLT представляет собой монолитный резистор из металлического сплава, поэтому каждый миллиметр резистора вдоль контактной площадки будет влиять на эффективное сопротивление. С использованием калиброванного тока был определен оптимальный вариант разводки путем сравнения падений напряжения на контактных площадках пяти различных конфигураций.
Тестовая печатная плата
 |
|
| Рисунок 4. | Разводка тестовой печатной платы. |
На Рисунке 4 показаны пять вариантов разводки, обозначенных буквами от A до E, созданных на тестовой печатной плате. Там, где это было возможно, дорожки от контрольных точек к точкам замера проводились в разных местах, указанных цветными точками. Использовались следующие посадочные места резисторов:
A. Контактная площадка, рекомендованная для стандартного резистора с 4-проводным подключением (см. Рисунок 2б). Пары точек замера (X и Y) находятся на внешнем и внутреннем краях контактных площадок (ось X).
B. Аналогично A, но с удлиненными внутрь контактными площадками, чтобы обеспечить лучшее покрытие области выводов (см. Рисунок 2а). Точки замера находятся в центре и на концах контактных площадок.
C. Обеспечивает более симметричное протекание тока в системе за счет использования обоих краев вывода. Кроме того, точка замера перемещена ближе к центру. Точки замера находятся в центре и на конце контактных площадок.
D. Аналогично C, но с соединенными в самых крайних точках контактными площадками тока системы и тока считывания. Используются только внешние точки замера.
E. Гибрид вариантов A и B. Ток системы протекает через более широкие контактные площадки, а ток считывания проходит через меньшие контактные площадки. Точки замера находятся на внешнем и внутреннем краях выводов.
Паяльная паста наносилась с помощью трафарета и оплавлялась в печи. Использовался резистор ULRG3-2512-0M50-FLFSLT.
Процедура испытаний
Тестовая установка показана на Рисунке 5. Через каждый резистор, температура которого поддерживалась на уровне 25 °C, пропускался калиброванный ток 20 А. Результирующее дифференциальное напряжение измерялось менее чем через 1 секунду после подачи тока нагрузки, чтобы не допустить повышения температуры резистора более чем на 1 °C. Температура каждого резистора контролировалась, чтобы гарантировать, что результаты испытаний были зарегистрированы при 25 °C. При токе 20 А идеальное падение напряжения на резисторе 0.5 мОм должно составлять 10 мВ.
 |
|
| Рисунок 5. | Тестовая установка. |
Результаты испытаний
В Таблице 1 приведены данные измерений с использованием расположений точек замера, показанных на Рисунке 4.
| Таблица 1. | Измеренные напряжения и ошибки | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| *)Без подключения Кельвина. Напряжение измерялось на основной сильноточной площадке, чтобы продемонстрировать погрешность, связанную с сопротивлением припоя. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Наблюдения
- Посадочные места C и D создают наименьшие ошибки при сопоставимых результатах и различиях в пределах разброса отдельных резисторов. Предпочтителен вариант С, поскольку он с меньшей вероятностью вызовет проблемы, связанные с точностью размещения компонентов.
- В каждом случае наиболее точные результаты обеспечивают точки замера на внешних концах резисторов. Это указывает на то, что резисторы рассчитаны производителем на использование всей длины.
- Обратите внимание на погрешность 22%, связанную с сопротивлением припоя без использования измерения Кельвина. Это эквивалентно сопротивлению припоя около 0.144 мОм.
- Вариант посадочного места E демонстрирует эффект асимметричного расположения контактных площадок. Во время оплавления компонент притягивается к площадке с наибольшим количеством припоя. Такого типа контактных площадок следует избегать.
Заключение
Из полученных результатов видно, что оптимальной конфигурацией контактной площадки, при которой ожидаемая погрешность измерения составляет менее 1%, является C. Рекомендуемые размеры этой контактной площадки показаны на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Оптимальные размеры контактных площадок. |
Разводка дорожек считывания также оказывала влияние на точность измерений. Для достижения максимальной точности напряжение считывания следует измерять на краю резистора. На Рисунке 7 показана рекомендуемая разводка с использованием переходных отверстий для вывода внешнего края контактной площадки на другой слой, чтобы избежать разрезания основной шины питания.
 |
|
| Рисунок 7. | Рекомендуемая разводка печатной платы. |
Данные, приведенные в этой статье, могут быть применимы не ко всем резисторам, и результаты могут различаться в зависимости от материала и размеров резистора. Следует проконсультироваться с производителями резисторов. Ответственность за то, чтобы размеры дорожек и структура контактных площадок соответствовали индивидуальным производственным требованиям поверхностного монтажа, несет пользователь.
