在必須測(cè)量電池流入或流出電流的應(yīng)用中，超高精度、高邊電流檢測(cè)至關(guān)重要。現(xiàn)在，許多數(shù)字多用表采用4線開爾文測(cè)量方法，以消除多用表測(cè)量線的串聯(lián)電阻，準(zhǔn)確測(cè)量給定電阻上的電壓降。類似地，電流監(jiān)測(cè)器(CSM)或電流檢測(cè)放大器(CSA)根據(jù)出入電池的電流測(cè)量分流電阻上的壓降。

（圖1. 開爾文男爵(1824-1907)肖像，休伯特·馮·赫科默(1849-1914)繪。）

在實(shí)際應(yīng)用中據(jù)此確定負(fù)載從電池吸入的電流量。現(xiàn)在，系統(tǒng)功耗較小，需要高精度測(cè)量電池的剩余電量。為量化剩余的電量，就需要計(jì)算負(fù)載從電池吸收以及充電器充入到電池的每μA電流。所以，以極高精度測(cè)量分流電阻上的壓降就至關(guān)重要。

本文討論如何以較高精度測(cè)量分流電阻上的壓降。我們將介紹超高精度CSM如何利用普通連接測(cè)量分流電阻上的壓降，然后將該值與CSM數(shù)據(jù)資料中給出的精度指標(biāo)進(jìn)行比較。接著，我們探討利用相同CSM來提高測(cè)量精度的方法。采用四端子檢測(cè)電阻的成熟開爾文測(cè)量方法改進(jìn)測(cè)量。結(jié)果也表明，應(yīng)特別注意電路板布局。遵循本文中給出的布局實(shí)踐，我們可依賴開爾文測(cè)量方法，高精度測(cè)量檢測(cè)電阻上的毫伏級(jí)壓降。

開爾文電橋

在討論超高精度CSM/CSA之前，我們首先將時(shí)間回溯，了解一位令人印象深刻的科學(xué)家及先鋒工程師，開爾文男爵(圖1)。開爾文男爵的創(chuàng)造性成就是許多電子原理的基礎(chǔ)，而我們?cè)谌粘Ｉ钪姓J(rèn)為這些原理是理所當(dāng)然的，比如說知道我們的手機(jī)什么時(shí)候需要充電。開爾文在測(cè)量極低電阻方面的工作方法仍然被現(xiàn)代化集成電路(IC)所采用。實(shí)際上，利用早期的開爾文原理及一些數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確測(cè)量電池容量時(shí)，就可以防止過沖或過放延長(zhǎng)電池壽命。

按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，開爾文橋等早期儀器的精度令人驚奇。

圖2. 高精度測(cè)量極低電阻的早期開爾文電橋。

注意圖2中間的方框圖。左側(cè)為電池，下方為四根引線。外側(cè)的引線提供通過電阻X的電流，內(nèi)側(cè)的引線隔離測(cè)量電路。通過圖3更容易理解開爾文測(cè)量原理。

圖3. 開爾文測(cè)量方法原理圖。

通過將主電流通路與測(cè)量通路相隔離，開爾文提高了測(cè)量精度。圖3中，被測(cè)量主電流從左上方的電池流過安培計(jì)(A)，在引線2和3之間的電阻“X” (底部的灰條)上產(chǎn)生電壓降。由于電壓計(jì)電路(V以及引線2和3)的輸入阻抗非常高，其中幾乎沒有電流通過，所以電壓計(jì)的測(cè)量精度比較高。在安培計(jì)、電池電阻以及引線1至4組成的主電路的所有部分，電流相同。然而，引線1和4產(chǎn)生串聯(lián)電阻，從而在引線上產(chǎn)生有限的電壓降。雖然電壓降非常小，但也降低了精度。通過將主電流通路與測(cè)量通路相隔離，開爾文測(cè)量方法提高了測(cè)量精度。當(dāng)然，如果已知三個(gè)參數(shù)(電壓、電流和電阻)中的任意兩個(gè)，我們即可計(jì)算得到第三個(gè)參數(shù)。

電流檢測(cè)器的典型連接

圖4所示為監(jiān)測(cè)從電池流入至負(fù)載的電流的CSM連接。我們可能一開始認(rèn)為圖4中的連接沒有錯(cuò)誤。然而，該設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)不了CSA的±0.23%增益誤差指標(biāo)。設(shè)計(jì)問題實(shí)際上在于電路板布局方面的缺點(diǎn)和原理圖布局較差。

圖4. 測(cè)量檢測(cè)電阻壓降的典型連接。例子中作為電流監(jiān)測(cè)器的器件為MAX44286 CSA。

如果我們仔細(xì)研究圖4所示的原理圖布局并進(jìn)行一些調(diào)整，能夠保持電流監(jiān)測(cè)器的直流精度參數(shù)，例如增益精度和輸入失調(diào)電壓。圖中所示的電流監(jiān)測(cè)器為MAX44286，采用4焊球晶圓級(jí)封裝(WLP)，尺寸為0.78mm x 0.78mm x0.35mm。這些發(fā)現(xiàn)和建議也同樣適用于任意高精度CSA。盡管我們這里的分析以MAX44286為例，但結(jié)果真實(shí)，也適用于所有高精度CSM。

我們首先用一個(gè)眾所周知的公理分析圖4：

在檢測(cè)電阻壓降為μV至mV級(jí)的高精度測(cè)量應(yīng)用中，增益精度或增益誤差是關(guān)鍵參數(shù)。所以：

所以，按照式2計(jì)算增益誤差，得到：

增益誤差(GE) =-0.23713148%

現(xiàn)在，這并不是我們所期望的CSM結(jié)果，因?yàn)樵揅SM的最大增益誤差指標(biāo)為±0.23%。

超高精度檢測(cè)放大器的另一項(xiàng)重要指標(biāo)是輸入失調(diào)電壓，由下式給出：

有一種方法可實(shí)現(xiàn)增益誤差低于±0.2%以及較好的輸入失調(diào)電壓。請(qǐng)參見圖5并注意其中比圖4中的走線多一些。

圖5. 兩個(gè)輸入、輸出和接地焊球上均采用開爾文連接的電路。再次以MAX44286 CSA作為 電流監(jiān)測(cè)器。

如果您稍加留意，會(huì)注意到圖5中使用了4端子電阻。4線開爾文配置支持通過兩個(gè)端子施加電流，通過另外兩個(gè)端子測(cè)量電壓。該設(shè)計(jì)消除了端子的電阻和溫度系數(shù)，電流測(cè)量的精度更高。同樣，檢測(cè)電阻端子的走線位于電阻焊盤的正下方，從而防止檢測(cè)電阻上任何附加走線阻抗。

總結(jié)

我們可清楚看到，增益誤差和輸入VOS發(fā)生了明顯變化。因此，CSA的超高精度測(cè)量性能依賴于測(cè)試夾具的布局和元件布置。如果我們使用圖5所示的測(cè)量走線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果精度非常高。在超高精度應(yīng)用中，毫伏級(jí)的檢測(cè)電壓對(duì)于毫安級(jí)的檢測(cè)電流非常重要。顯而易見，必須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)夭贾妹扛呔€。

從檢測(cè)電阻端子到對(duì)應(yīng)輸入焊球的走線形狀和長(zhǎng)度必須對(duì)稱。采用2端檢測(cè)電阻也能提供較高精度的讀數(shù)，在溫度范圍內(nèi)為最大±0.23%。為了獲得更高精度的結(jié)果，需要使用4端檢測(cè)電阻。

所以，我們采用開爾文男爵的測(cè)量原理，保證了超高精度CSA的直流精度。高精度測(cè)量不僅依賴于良好的設(shè)計(jì)和CSA布局本身，也與電路板布局息息相關(guān)。

1. 杰出的科學(xué)家及工程師開爾文男爵原名威廉·湯姆森。威廉·湯姆森在10歲時(shí)進(jìn)入格拉斯哥大學(xué)，15歲時(shí)的一篇論文獲得金牌，這是他一生中眾多獎(jiǎng)項(xiàng)中的第一項(xiàng)。劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)畢業(yè)之后，威廉·湯姆森受聘成為格拉斯哥大學(xué)教授。威廉·湯姆森是當(dāng)時(shí)公認(rèn)的全球科學(xué)家先鋒，發(fā)表了600多篇論文。湯姆遜受封為爵士，就是后來著名的開爾文男爵。開爾文男爵肖像請(qǐng)參見以下網(wǎng)址：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hubert_von_Herkomer03.jpg。