Resistor----檢流電阻的焊盤優化

引言：電流檢測電阻有多種形狀和尺寸可供選擇，使用極低值電阻(幾mΩ或以下)時，焊錫的電阻將在檢測元件電阻中占據很大比例，結果大幅增加測量誤差。高精度應用通常使用四引腳電阻和開爾文連接以減少這種誤差，但是這些專用電阻卻可能十分昂貴。另外在測量大電流時，電阻焊盤的尺寸和設計在確定檢測精度方面起著關鍵作用。本節將描述一種優化方案，采用一種標準的低成本雙焊盤檢測電阻(四焊盤布局)以實現高精度開爾文電流檢測。（回顧Resistor-15：檢流電阻的選型和使用）

1.檢流電阻的封裝

2512封裝的常用電流檢測電阻的電阻值最低可達0.5mΩ，其最大功耗可達3W。為了展現最差條件下的誤差，這些試驗采用一個0.5mΩ，精度為1%，3W的電阻，其尺寸和標準4線封裝如圖16-1，圖16-2所示。

圖16-1：2512標準外形尺寸

圖16-2：2512推薦標準四焊盤封裝

2.開爾文連接

對于開爾文檢測，必須將標準雙線封裝焊盤進行拆分。以便為系統電流和檢測電流提供獨立的路徑。圖16-3顯示了此類布局的一個范例：系統電流用紅色箭頭表示的路徑。如果使用一種簡單的雙焊盤布局,則總電阻為：

為了避免增加不必要的電阻，需要把電壓檢測走線正確的連接到檢測電阻焊盤處。系統電流將在上部焊點導致顯著的壓降，但檢測電流則會在下部焊點，壓降可以忽略不計。可見這種焊盤分離方案可以消除測量中的焊點電阻，從而提高系統的總體精度。

圖16-3：常用四焊盤開爾文連接方式

3. 優化開爾文封裝

圖16-3所示布局是對標準雙焊盤方案的一種顯著的改進，但是在使用極低值電阻 (0.5mΩ或以下)時，焊盤上檢測點的物理位置以及流經電阻的電流對稱性的影響將變得更加顯著，因此檢測點沿著焊盤每延伸一毫米，結果都會影響有效電阻。使用高精度電流，通過比較五種定制封裝下的壓降，可以確定最佳檢測布局。

下面展示在測試PCB板上構建的五種布局模式，分別標記為圖16-4到圖16-8。我們盡可能把走線布局到沿著檢測焊盤延伸的不同位置的測試點，各個電阻封裝為基于2512建議封裝的標準4線電阻(圖16-2)，檢測點對(X和Y)位于焊盤外緣和內緣(x軸)。

圖16-5類似于圖16-4，但焊盤向內延伸較長，以便更好地覆蓋焊盤區，檢測點位于焊盤中心和末端。圖16-6利用焊盤兩側以提供更對稱的系統電流通路，同時把檢測點移動到更中心的位置，檢測點位于焊盤中心和末端。圖16-7與圖16-6類似，只是系統電流焊盤在最靠里的點接合，只使用了外部檢測點。圖16-8為圖16-4和圖16-5的混合體，系統電流流過較寬的焊盤，檢測電流流過較小的焊盤，檢測點位于焊盤的外緣和內緣。

圖16-4：常規開爾文連接

圖16-5：延展焊盤開爾文連接

圖16-6：中心兩側連接

圖16-7：中心外側連接

圖16-8：大-小焊盤連接

測試設計：使20A的高精電流通過各個電阻，同時使電阻保持在25°C。在加載電流后1秒內，測量產生的差分電壓，以防止電阻溫度升高1°C以上。同時監控各個電阻的溫度，以確保測試結果均在25°C下測得。電流為20A時，通過0.5mΩ電阻的理想壓降為10mV。表16-1列出了采用上述五種所示檢測焊盤位置測得的數據：

表16-1：實測數據

最后一欄是非開爾文連接檢測，以對比和焊錫電阻相關的誤差。由于結果的可比較性以及各電阻偏差都在容限范圍之內，所以得出圖16-6和圖16-7的誤差最小。圖16-6為首選封裝，因為它不大可能導致與元件放置容限相關的問題。在每一種情況下，電阻外端的檢測點提供的結果最準確，這表明這些電阻是制造商根據電阻的總長度設計的。注意在未使用開爾文檢測時，焊錫電阻相關誤差是22%，這相當于約0.144mΩ的電阻。圖16-8展示了不對稱焊盤布局的效應，回流期間元件通過大量焊錫才能粘接焊盤，應避免這種封裝。

4.結論

根據前面所示結果，最佳封裝是圖16-6（如可以高精度SMT，使用圖16-7封裝最好），其預期測量誤差小于1%。該封裝的建議尺寸如圖16-9所示：

圖16-9：最佳封裝尺寸

檢測走線的布局也會影響測量精度，為了實現最高精度，應在電阻邊緣測量檢測電壓。建議采用圖16-10所示通孔布局，把焊盤外邊緣布局到另一層，從而避免切割主電源層。

圖16-10：建議開爾文PCB走線

上述封裝可能并不適用于所有電阻，具體取決于電阻的材質和尺寸以及檢測的場景。大封裝，大電流，低阻值的場景推薦使用如圖16-10方式。