PROM2PROM - кабинет для закупа электронных компонентов
РадиоЛоцман - Все об электронике

Оптимизация точности измерения больших токов путем улучшения конфигурации контактных площадок для низкоомных токоизмерительных резисторов

TT Electronics ULR

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.

Тестовая плата с различными вариантами разводки токоизмерительных резисторов.
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.

Размеры резистора ULRG3-2512-0M50-FLFSLT (а). Стандартная разводка с четырьмя контактными площадками (б).
Рисунок 2. Размеры резистора ULRG3-2512-0M50-FLFSLT (а). Стандартная
разводка с четырьмя контактными площадками (б).

Резистор со стандартными контактами

Подключение Кельвина.
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

Разводка тестовой печатной платы.
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.

Тестовая установка.
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
Вариант
разводки
Точки замера Измеренное
напряжение
(мВ)
Ошибка (%)
A 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
  Контактная
площадка*
12.28 22.8
*)Без подключения Кельвина. Напряжение измерялось
на основной сильноточной площадке, чтобы продемонстрировать
погрешность, связанную с сопротивлением припоя.

Наблюдения

  1. 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.
  2. 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.
  3. Обратите внимание на погрешность 22%, связанную с сопротивлением припоя без использования измерения Кельвина. Это эквивалентно сопротивлению припоя около 0.144 мОм.
  4. 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.

Оптимальные размеры контактных площадок.
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.

Оптимальные размеры контактных площадок.
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.

Материалы по теме

  1. Datasheet TT electronics ULR

Analog Devices

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Optimize High-Current Sensing Accuracy by Improving Pad Layout of Low-Value Shunt Resistors

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Хороший материал, таблица с ошибками измерений довольно наглядная. Зачастую к подобным хитростям приходишь методом проб и ошибок.
  • [b]antonydublin[/b], просветите плиз, а что мешает считывать разность потенциалов на токоизмерительном резисторе девайсом с очень высоким входным сопротивлением? Ведь в этом случае ток измерителя через резистор ничтожен, а значит и падение напряжения на припое не влияет на результат измерения.
  • КМК таблица пальцем в небо, это точно тесты от сотрудников аналоговых девиц?
  • Да, любой современный усилитель с гигаомными входами внесёт ничтожную погрешность по сравнению с добавочным сопротивлением слоя припоя даже при использовании [B]субмиллиомных шунтов[/B]. Конечно, автор всего лишь "расщепил" контактные площадки. Абзац, где написано, что "[I]токи считывания вызовут лишь незначительное падение напряжения на нижних паяных соединениях[/I]", в принципе мне тоже не нравится. Но переводчик не ошибся, я проверил, респект :-) Если не придираться к "измерительным токам", скорее всего автор хотел сказать, что таким образом он как бы отсёк возможные [B]нежелательные[/B] пути протекания измерительных токов и сделал всё возможное для нивелирования [B]разброса[/B] привнесённых сопротивлений после запайки на серии. Ведь резистор после оплавления паяльной пасты в любом случае куда-то потянет, установщик компонентов тоже даёт не идеальную повторяемость, [B]толщина слоя припоя[/B] под контактными площадками тоже может быть разной. Если бы не отдельные контактные площадки, то на серии начальная погрешность измерений была бы в пределах той, что приведена в таблице, ~1-5%. Не защищаю автора, но на мой взгляд в статье описана реальная проблема, возникающая при использовании именно двухвыводных субмиллиомных резисторов для измерения относительно больших токов. С чем не согласен DmitriyVDN неясно. В свою очередь, ART_HA, ради интереса посмотрите, как сделаны [URL=https://www.isabellenhuette.de/fileadmin/Daten/Praezisionswiderstaende/IHH_Bauelementebroschuere_dt.pdf]прецизионные токовые шунты Isabellenhütte[/URL]. Внутренние конфигурации и устройство измерительных выводов, да и рекомендации производителя очень похожи на то, что описал автор статьи (см. конец аппноута). У них есть шунты начиная от 0.1 мОм (!).
  • Спасибо, теперь понятно, что это проблема конкретных изделий (двухвыводных субмиллиомных резисторов), а не проблема вообще. Потому как если так уж сильно мешает припой с более высоким, чем у меди, сопротивлением, то что мешает применить припой с низким сопротивлением или обойтись вообще без него? Тем более, что изделия со столь высокими требованиями к точности измерения тока явно не относятся к ширпотребу, а значит и применение токосъемных резисторов типа smd не является экономически обязательным.
  • с тем что аФтор от большого ума проводит тесты двухвыводовых шунтов на четырех пиновых падах для них вовсе не предназначенных, мало того что эффективная поверхность протекания токов в вариантах А, Б, Е уменьшена более чем в 3 раза, что само по себе дает погрешность измерения на порядок выше обычного двухпинового включения с отводом от середины, так еще нарушены пути протекания токов, что намного хуже для точных измерений , о чем речь наглядно можно посмотреть с 6:00 здесь: [url]https://youtu.be/R80cV8pryOM?t=362[/url] Те по факту афтор измеряет погоду на Марсе и Венере, и на основании этих замеров делает выводы о б урожае озимых на будущий год.
  • Да, это сразу бросатется в глаза. Я снова не защищаю автора, но в данном случае на 3х-ваттных резисторах 0.5мОм рассеивается примерно ~0.2Вт. Т. е. уменьшение эффективной площати контактных площадок грубо говоря компенсируется запасом по мощности, если пересчитать в падение на добавочных сопротивлениях. Относительно нарушенных путей протекания токов - утверждение неоднозначное. Поскольку контактная площадка резистора сама по себе неплохой проводник и почти независимо от точки входа [B]выровняет распределение плотности тока[/B] на самом элементе. Внесённые при этом самой площадкой погрешности будут незначительны. Кстати, я не встречал информации по характеристикам выводов в таких резисторах. Думается, что медное покрытие выводов имеет сопротивление раз в 10ть меньше, чем сам резистор. Ну и если заглянуть в[URL="https://www.farnell.com/datasheets/2158862.pdf"] даташит на резисторы ULRG3-2512-0M50[/URL], то можно увидеть всё те же схемы "4-wire measurement points", о которых пишет автор статьи (страница 3). Конечно, выбор всегда за инженером. И небольшой оффтоп. Раз уж была ссылка на гидравлические аналогии, оцените свежую механическую аналогию. [url]https://youtu.be/QrkiJZKJfpY[/url]
  • однозначное... в подтверждение тому конструкции токовых шунтов типа 75ШСМ , сопротивление подгоняется под напряжение на потенциальных зажимах. произвольный перенос потенциальных зажимов без последующей кориктировки сопротивления шунта запрещен. причем здесь гидравлические аналогии, я специально дал ссылку чтобы наглядно было видно как изменяется падение напряжения в зависимости от точки приложения потенциальных зажимов, просто мысленно проведите линии протекания тока по поверхности шунта , сначала при его присоединение по всей поверхности и потом только с боковой части, и поймете о чем речь.
  • Я понимаю о чём Вы. Но при таких небольших размерах шунта 2512 (6*3 мм) распределение токов внесёт куда меньшую погрешность, чем пресловутый припой. Даже по сравнению с теми же миллиомными 75ШСМ (на которых болтовые зажимы). Но это моё мнение, которое просто совпадает с мнением автора статьи. В конце концов производитель этих шунтов рекомендует симметричную форму силовых падов. У автора это вариант D и с натяжкой С, на которых он наблюдал наименьшую ошибку 1-2%. Статью стоило бы назвать "предупреждение частых ошибок ..." и её смысл немного бы поменялся. Ссылку на механические аналогии привёл из побуждений посмеяться, в самом деле необычно ведь и немного странно.
  • это вам только так кажется... площадь пина 3,18*1,43*=*4,5474мм при толщине припоя 0,1мм (а это на минуточку три толщины меди) сопротивление перехода получится 2мкОм , умножаем на два и получаем 4мкОм , для 0,5мОм это менее 1% , что сопоставимо с погрешностью самого шунта... и во всей этой возне самый важный вопрос: где измерения на цельных падах с отводом от середины внутренних сторон? где данные , а может там погрешности на уровне с вариантом С и Д? те есть по сути взяли три самых хреновых способа съема потенциалов, выкинули стандартные, и провели исследование... пилять, гениально! для кого статья, для делилов? просто сравнивая это с апнотами аналоговых девиц 10..20 летней давности на лицо явная деградация персонала...
  • а схема кельвина разве не служит только для компенсации длинны (емкости, индуктивности и сопротивления) проводников при измерении. а здесь принцип четырехпроводного измерения пытаются заменить в том месте, где его по определению нет (на контактных площадках). для каждой площадки ( а их четыре штуки) придется свою четырехпроводную схему применить.
  • DmitriyVDN прав в части нарушенной методологии эксперимента. В статье напрочь отсутствуют замеры для стандартных отводов от середины падов. Но что-либо компенсировать для измерительных площадок кажется лишним, тут всё же не ультра-прецизионные измерения. Да, это так. Только непонятно, куда денется этот 1% в случае стандартных отводов от середины. Более того, погрешность с ростом температуры увеличится, потому что ТКС припоев положительный и может быть больше, чем у меди. А у меди ТКС немаленький ~3800 ppm. Может именно поэтому автор и вовсе не рассматривал стандартный вариант с двумя [B]сплошными[/B] падами. У манганина (из чего сделаны эти шунты?) ТКС в 100 раз меньше, чем у меди. Но в статье тоже напрочь отсутствуют данные измерений по температурным зависимостям, все замеры указаны при 25 градусах. Меня статья заинтересовала, потому что используя примерно такие же миллиомные шунты с допуском 1% я реально столкнулся с необходимость калибровки каждого устройства. Разброс измерений был примерно от 2 до 5% на токе 15А DC, причём погрешность увеличивалась с прогревом платы. Измерительные дорожки сделал по стандартным рекомендациям - от середины контактных площадок, вплотную друг к другу, в одном слое и минимальной длины до усилителя. В общем по стандартным рекомендациям. В итоге решил для себя, что виновато сопротивление припоя. Причём ТКС которого, кажется, вообще не нормируется (данных я не нашёл). Плюс паразитные термопары, которые микровольты, но всё же добавляют или отнимают (в зависимости от знака). Да вот, на счёт [B]распределения токов[/B] вариантов A и B в статье. DmitriyVDN безусловно прав, но я считаю это не на столько критичным для одного шунта. Вот если соединять шунты в параллель, тогда распределение токов будет реальной проблемой уже на уровне меди силовых шин. А если измерять нужно переменные или пульсирующие токи, то проблем добавится.
Полный вариант обсуждения »