在介紹 PCB 布局對(duì)精度的影響之前，必須了解輸入偏置電流規(guī)格 （Ib）。輸入偏置電流定義為“輸出處于指定電平時(shí)流入兩個(gè)輸入端子的電流平均值”。[1] 理想情況下，此規(guī)格為 0A，但工藝變化和設(shè)計(jì)限制導(dǎo)致其為非零值。關(guān)于電流感應(yīng)，該規(guī)范有兩個(gè)含義。首先，當(dāng)試圖準(zhǔn)確感應(yīng)“小”電流時(shí)，Ib 變得很重要。例如，嘗試使用 Ib=35uA 的器件測(cè)量 100uA 的系統(tǒng)負(fù)載電流，將在測(cè)量中產(chǎn)生很大的不確定性。其次，兩個(gè)輸入信號(hào)電流（或輸入失調(diào)電流，Ios）之間的不良匹配可能會(huì)在器件的輸入端感應(yīng)和/或加劇差分電壓。后者將在本文中討論。

理論

本系列的第 3 部分討論了 Vos、CMRR 和 PSRR 等器件規(guī)格的精度。還提出并討論了一個(gè)類似于下圖所示的表格。差異包括添加 2 行和 1 列。由于 PCB 布局 （Vos-pcb） 而添加的 Ib 和偏移電壓行。還添加了一個(gè)列，用于指定每個(gè)錯(cuò)誤源是否在設(shè)計(jì)器的控制范圍內(nèi)。

請(qǐng)注意，設(shè)計(jì)器控制范圍內(nèi)的錯(cuò)誤源是 Vos-pcb。這是因?yàn)樗衅渌`差源都是器件規(guī)格，除了選擇具有改進(jìn)規(guī)格的不同器件之外，無法實(shí)際控制這些誤差。Vos-pcb 可以通過適當(dāng)?shù)?PCB 布局來化。不幸的是，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：選擇了適當(dāng)?shù)钠骷?，?PCB 布局會(huì)導(dǎo)致不可接受的額外誤差量。

示例設(shè)計(jì)

為了觀察 PCB 布局對(duì)電流傳感解決方案的影響，我們創(chuàng)建一個(gè)示例設(shè)計(jì)。假設(shè)解決方案要求如下：

* 共模電壓 （Vcm）：70V

* 差分放大器 （Vs） 的可用電源：5V

* 負(fù)載電流范圍：5A

*單向

* 高精度

由于共模電壓相當(dāng)大，并且大于差分放大器的電源電壓，因此應(yīng)選擇分流監(jiān)視器 （CSM）。（增益 = 50V/V）CSM 滿足上述要求，因?yàn)樗梢赃m應(yīng)高達(dá) 80V 的共模電壓，在 2.7V 至 18V 的電源電壓下工作，可用于雙向或單向應(yīng)用，并且具有僅為 70μV（值）的輸入偏移電壓 （Vos） 規(guī)格。

為了正確確定分流電阻器的尺寸，我們必須檢查器件的輸入和輸出規(guī)格。當(dāng)電源電壓為 5V 時(shí)，INA282 的輸出可在 40mV 至 4.6V 范圍內(nèi)擺動(dòng)。將輸出范圍除以器件的增益 （50V/V） 可得出輸入范圍。這相當(dāng)于 0.8mV 至 92mV 的輸入電壓范圍。

鑒于我們的負(fù)載電流為 5A （Iload-min） 至 10A （Iload-max），分流電阻器必須小于 9.2mΩ （92mV/Iload-max） 且大于 0.16mΩ （0.8mV/Iload-min）。如果分流電阻器的功率耗散是可以容忍的，則建議使用更大值的分流電阻器以提高精度。因此，我們將選擇 8mO 的分流電阻器。

圖 1 描述了用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的 TINA-TI 仿真電路。圖 2 顯示了 INA282 的輸出與負(fù)載電流的關(guān)系。

現(xiàn)在我們有一個(gè)工作示例，讓我們看看 PCB 布局對(duì)這個(gè)解決方案的準(zhǔn)確性的影響。圖 3 描述了與圖 1 相同的電路，但增加了寄生電阻（Rps、Rpp 和 Rpn）。它還區(qū)分分流電壓 （Vshunt） 和感應(yīng)電壓 （Vsense）。Vsense 定義為器件 input 引腳上的差分電壓。理想情況下，Vshunt=Vsense。然而，由于 PCB 寄生效應(yīng)，情況并非如此。因此，V'sense 代表非理想的感應(yīng)電壓。

與我們之前的精度討論類似

其中 Vos-pcb 定義為：

我們還可以根據(jù)寄生電阻和偏置電流推導(dǎo)出 V'sense 方程。

根據(jù)基爾霍夫現(xiàn)行定律 （KCL）

根據(jù) Kirchoff 電壓定律 （KVL） 和無源符號(hào)約定

求解 V'sense 得到：

公式 6 告訴我們，任何與分流電阻器 Rps 串聯(lián)的寄生電阻都會(huì)感應(yīng)出一個(gè)誤差，該誤差將在電流感應(yīng)器件的輸出端觀察到。它還表明，與電流感應(yīng)器件的輸入端 Rpp 和 Rpn 串聯(lián)的寄生電阻可能會(huì)也可能不會(huì)引起誤差。如果 Ibp*Rpp=Ibn*Rpn，則不會(huì)觀察到任何錯(cuò)誤。任何偏離此關(guān)系的行為都會(huì)引起錯(cuò)誤。

Rpn 和 Rpp 錯(cuò)誤

雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無法控制輸入偏置電流，但他們可以嘗試匹配輸入走線的電阻。未能平衡輸入走線電阻很可能會(huì)被視為錯(cuò)誤。

例如，長度為 350mils、寬度為 10mils 的 1 盎司銅輸入走線的阻抗約為 17mO。

但是，如果無法平衡 input trace，則可能會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的錯(cuò)誤。讓我們重復(fù)計(jì)算，但使用不平衡的跟蹤。假設(shè)其中一條跡線的長度為 275mils，而另一條跡線的長度為 350mils。仿真結(jié)果如表 3 所示。

我們看到 75mil 不平衡的誤差增加了 35.7%。這里要提到的另外兩個(gè)主題包括溫度變化和通孔。由于溫度波動(dòng)，這些誤差會(huì)進(jìn)一步增加。此外，將電流感應(yīng)器件和分流電阻器放置在電路板的相對(duì)兩側(cè)需要使用過孔。過孔可能具有顯著的寄生阻抗，這些阻抗會(huì)隨著制造而變化很大。

雖然誤差很小，但通過故意不平衡輸入走線來消除不平衡輸入偏置電流的影響的想法既不實(shí)用也不推薦。輸入偏置電流的差異會(huì)因器件、晶圓和批次而異。它還可以根據(jù)共模電壓和電源電壓等設(shè)計(jì)參數(shù)而變化。

因此，建議將電流感應(yīng)器件和分流電阻器放置在 PCB 板的同一側(cè)，并使用平衡的短輸入走線。

RPS 錯(cuò)誤

與分流電阻器串聯(lián)的寄生走線電阻會(huì)引起測(cè)量誤差。在這種情況下，寄生電阻位于大電流路徑中。因此，不需要大量的寄生走線電阻即可引起重大誤差。

例如，一條長 10mils、寬 25mils 的 1 盎司銅走線的阻抗約為 193μΩ。雖然這似乎并不重要，但請(qǐng)記住它可以承載負(fù)載電流 （10A）。表 4 總結(jié)了這種輸入走線對(duì)圖 3 中負(fù)載電流為 10A 的電路的影響。

使用理想的分流電壓值 80mV，我們使用公式 1 和 2 計(jì)算 Rps 引起的誤差，如下所示：

公式 9 描述了去除與分流電阻器串聯(lián)的所有寄生電阻的重要性。這可以通過在分流電阻器和電流感應(yīng)器件之間實(shí)現(xiàn)開爾文連接來實(shí)現(xiàn)，這將在 Layout Recommendations 部分中討論。

雖然這個(gè)誤差顯然比 Rpp 和 Rpn 引起的誤差更大，但可以進(jìn)行額外的觀察：可以在電流感應(yīng)設(shè)備的輸入引腳處測(cè)量比分流電阻器兩端的電壓更大的電壓。因此，在器件的輸出端會(huì)觀察到更大的電壓。

在對(duì)電流檢測(cè)解決方案進(jìn)行故障排除時(shí)，這一觀察結(jié)果非常重要。通常，人們會(huì)測(cè)量分流電阻器兩端的電壓，將其乘以器件的標(biāo)稱增益，然后將結(jié)果與器件的測(cè)量輸出進(jìn)行比較。在這種情況下，理想的分流電壓為 80mV，器件的標(biāo)稱增益為 50V/V，仿真輸出為 4.084V。分流電壓和標(biāo)稱增益的乘積為 4V。84mV 的差異 （或 2.1% 的誤差） 可能導(dǎo)致人們認(rèn)為該器件的增益誤差不在規(guī)格范圍內(nèi)。

然而，器件本身引入的誤差可以使用公式 10 和 11 計(jì)算：

使用 V'sense 進(jìn)行此計(jì)算消除了由 PCB 布局引起的任何誤差，僅器件本身引入的誤差。

我們看到，當(dāng)使用 V'sense 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，器件貢獻(xiàn)的誤差實(shí)際上是 0.3%，這明顯小于使用 Vshunt 時(shí)。在對(duì)電流檢測(cè)解決方案進(jìn)行故障排除時(shí)，必須測(cè)量器件輸入引腳上的電壓，而不是分流電壓。

布局建議

已經(jīng)表明，任何與分流電阻器串聯(lián)的寄生電阻都會(huì)引起誤差。因此，建議設(shè)計(jì)人員在分流電阻器和電流感應(yīng)器件之間實(shí)現(xiàn)開爾文連接。

總結(jié)

寄生電阻與分流電阻器串聯(lián)或與電流傳感器件的輸入引腳串聯(lián)都會(huì)引起測(cè)量誤差。為了限度地減少此類誤差，建議對(duì)分流電阻器進(jìn)行開爾文連接，并使用短而平衡的走線進(jìn)行輸入連接。，在計(jì)算設(shè)備誤差時(shí)應(yīng)小心。建議在器件的引腳處進(jìn)行所有與器件相關(guān)的測(cè)量，而不是在其他方便的位置進(jìn)行，例如測(cè)試點(diǎn)或跨分流電阻器本