【導讀】你是否曾經(jīng)將新的設計或元器件方案視為一種改進(jìn)的有益的替代方案，但后來(lái)卻發(fā)現它也有出乎意料的缺點(diǎn)？這些負面因素是你可以做更多的功課來(lái)預估并更有效評估的？還是故意或只是由于情況復雜而被埋得很深的？
用于測量負載電流的標準方法之一是在負載線(xiàn)中插入一個(gè)低阻值的電阻，然后檢測其兩端電壓，如圖1所示，接下來(lái)就是歐姆定律的模擬或數字實(shí)現。
圖1：(a)可以將電流檢測電阻放置在電源軌和負載之間(高側)，或(b)放在負載和地之間(低側)。高側檢測更難實(shí)現，但其在許多情況下具有顯著(zhù)的系統優(yōu)勢。（圖片來(lái)源：ADI）
與許多工程決策一樣，選擇使用什么電阻值是一種權衡。高阻值電阻會(huì )在其兩端產(chǎn)生較高的IR壓降和電壓，從而簡(jiǎn)化電壓檢測并提高信噪比(SNR)。然而，這卻會(huì )減少可能流向負載的功率，而且這種耗散也可能導致電阻自熱，從而帶來(lái)漂移和可靠性問(wèn)題。
相比之下，低阻值電阻可以最大限度地降低這種壓降，但卻會(huì )帶來(lái)精度和SNR問(wèn)題。較低的壓降也會(huì )受到檢測放大器電路(這類(lèi)應用幾乎總是采用運算放大器設計)中缺陷的影響，因為其中存在著(zhù)輸入電壓偏移和偏置電流及其隨后與溫度相關(guān)的漂移——它們全都可能破壞檢測值而使其超出允許范圍。
一般來(lái)說(shuō)，最好使用低阻值的電阻，這樣其相關(guān)的壓降和功耗就較低，總體上就更好，但這只能達到一定程度。其基礎指導原則是以最大電流下產(chǎn)生100mV壓降來(lái)確定電阻的大小。對于許多應用，采用快速V=IR計算，就可將電流檢測電阻的值設置在1到10mΩ之間。然而，在低壓應用中，即使是適度的100mV壓降以及相關(guān)耗散，也可能超出可接受范圍。
近年來(lái)，用于讀取檢測電阻兩端電壓的精密低壓運放的出現，使得低于1mΩ的電流檢測電阻應用成為可能。諸如TI INA185和ADI AD8417等運算放大器，都具有超低電壓偏移和偏置電流以及低溫度系數，因此使用這種低歐姆電阻就很實(shí)用。
然而，幾乎每次有了新的進(jìn)展也會(huì )帶來(lái)一連串新的考慮和顧慮。我曾經(jīng)讀過(guò)TT Electronics的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)工程師Stephen Oxley寫(xiě)的一篇應用筆記，文中討論到使用這些低歐姆值電流檢測電阻時(shí)，如何克服其固有的挑戰(圖2)。
圖2：來(lái)自TT Electronics LRMAP3920系列貼片電阻的尺寸約為5×10mm，可提供0.2-3mΩ的電阻值。（圖片來(lái)源：TT Electronics）
在這篇名為“克服使用sub-mΩ SMD的挑戰”(Overcome the Challenges of Using Sub-Milliohm SMD)文章中，他解釋了使用這些電阻不同于甚至是mΩ級電阻的許多方式，以及不恰當地使用將如何導致其精度、一致性甚至可信度受到影響等等。
該應用筆記提供了在使用sub-mΩ檢測電阻時(shí)需要注意的三個(gè)方面：
如何以及為何要將這些sub-mΩ芯片視為一種單獨的元器件類(lèi)別，而不僅僅是低阻值版的mΩ版本。
在元器件選擇和PCB 布局設計時(shí)如何避免陷阱。
在每個(gè)階段量化和最小化誤差和變化的方法。
在眾多細節中，還有幾乎要強制使用四線(xiàn)開(kāi)爾文連接相關(guān)的問(wèn)題，以及其連接位置和方式的細微差別如何影響性能等問(wèn)題；預估和適應由不同金屬結點(diǎn)的熱電效應所產(chǎn)生的電壓差；整個(gè)檢測元器件的電流通路和電壓檢測回路；使用多個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)降低凈電阻或增加額定處理功率的不同方法(圖3)；當然，還有不可避免的散熱考慮。簡(jiǎn)而言之：當檢測電阻本身為sub-mΩ時(shí)，電阻到電路的通路和接觸電阻將成為問(wèn)題的重要組成部分。
圖3：在使用超低阻值的電阻時(shí)，即使是使用兩個(gè)并聯(lián)電阻的簡(jiǎn)單原理，也會(huì )在電流通路方面帶來(lái)微妙的布局考慮。（圖片來(lái)源：TT Electronics）
我并不會(huì )對這篇文章進(jìn)行詳細總結，對你來(lái)說(shuō)自己讀過(guò)才更有意義。請注意，這篇文章幾乎完全是關(guān)于電阻、材料、端接和電流通路的，幾乎沒(méi)有提到任何相關(guān)的電子電路——這是另一個(gè)你必須計算誤差預算的地方。
再一次，最初看起來(lái)是個(gè)簡(jiǎn)單而有益的方案，實(shí)際上卻充滿(mǎn)了許多微妙之處以及錯誤運用新元器件的方法，從而否定了它可能提供的任何好處。畢竟，還有什么比檢測電阻和歐姆定律更基礎的呢？
更糟糕的是，我們實(shí)際上可能得到了較差的結果而卻渾然不知，還以為自己的讀數是準確而又一致的，結果卻發(fā)現信號和數據具有誤導性。這再一次證明了，說(shuō)“這只是個(gè)簡(jiǎn)單的改變”或“一切都很好”的任何人，通常是個(gè)資深的經(jīng)驗豐富的工程師，要不就是他在專(zhuān)業(yè)技能上的反面。
你是否曾經(jīng)將新的設計或元器件方案視為一種改進(jìn)的有益的替代方案，但后來(lái)卻發(fā)現它也有出乎意料的缺點(diǎn)？這些負面因素是你可以做更多的功課來(lái)預估并更有效評估的？還是故意或只是由于情況復雜而被埋得很深的？
(原文刊登于EDN美國版，參考鏈接：Sub-milliohm resistors bring current-sense benefits but also challenges，由Susan Hong編譯 )
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