分流器电阻(Shunt Resistor)主要用于电流检测,其核心要求是低阻值､高精度､低温漂,并能承受较大电流而不至于温升过高导致精度下降或损坏｡因此,其封装设计首要考虑的是电流承载能力､散热效率和低寄生电感｡常见的封装形式主要有以下几类:
- 金属片/条状封装 (Metal Strip/Tab Packages - 螺栓安装式)
结构特点: 这是大功率分流器最常见的封装｡电阻本体通常由锰铜等低温度系数合金制成扁平长条或特定形状(如U型､S型增加长度),两端带有大尺寸的金属端子(通常是铜或铜合金),并带有安装孔｡
优点:
极高的电流承载能力: 可达数百安培甚至上千安培｡
优异的散热性能: 大面积的金属本体和端子利于传导热量到散热器或PCB的铜箔上｡通常需要配合散热器使用｡
低寄生电感: 扁平结构有助于降低电流路径的环路面积,减少在高频开关应用中的测量误差｡
低热电动势: 使用锰铜等合金,铜端子,减少热电效应误差｡
典型应用: 电机驱动､大功率电源､电池管理系统(BMS)､工业控制中的主电流通路检测｡
常见外形: 直条形､U型､S型､带散热翼片的特殊形状｡
- 表面贴装器件 (Surface Mount Device - SMD)
结构特点: 采用标准SMD封装形式,但内部结构､材料(金属合金或厚膜)和设计针对低阻值､大电流优化｡
类型细分:
标准SMD (如 0603, 0805, 1206, 2010, 2512): 用于较小电流检测(通常几安培到二三十安培)｡阻值范围较宽,但大电流下温升明显,精度和温漂可能不如专用分流器｡
金属合金功率型SMD: 如 `4020`, `4527`, `5930`, `7343` 等较大尺寸封装｡核心特点是使用金属合金电阻芯(如锰铜),通过精密光刻工艺制作,具有极低的温度系数和高精度｡通常具有开尔文连接(Kelvin Connection / 4端子) 设计,即独立的电流端子和电压检测端子,消除引线电阻和接触电阻的影响｡
带散热焊盘型: 如 `Power Metal Strip®` (Vishay), `WSLT`/`WSBS` (Vishay), `LRMAP` (KOA) 等系列｡在标准SMD基础上,底部增加大面积裸露的金属散热焊盘(Thermal Pad),焊接在PCB的大面积铜箔(铺铜)上,显著提升散热能力,电流能力可达50A甚至100A以上(如TO-220封装的SMD版本)｡
优点:
适合自动化生产: 标准SMT工艺｡
体积小巧: 节省空间｡
开尔文连接: 提供高精度测量(低至0.5%甚至0.1%)｡
良好的散热(带散热焊盘型): 接近通孔器件的散热能力｡
典型应用: 开关电源输出电流检测､DC-DC转换器､电机控制(中小功率)､消费电子､通信设备中的电流监控｡
- 通孔插装 (Through-Hole - THT)
结构特点: 带有轴向或径向引线,需要插入PCB过孔焊接｡
类型细分:
轴向引线 (Axial Lead): 传统圆柱形或矩形,引线从两端引出｡电流能力有限,散热一般｡
功率型/螺栓安装式 (TO-220, TO-247等): 这类封装虽然看起来像晶体管,但内部是精密的分流电阻合金片｡具有金属背板(带安装孔)用于固定在散热器上,引线(通常是4线开尔文连接)用于焊接｡这是金属片封装的一种小型化､标准化的形式｡
优点:
安装稳固(螺栓式): 适合有振动环境｡
散热好(螺栓式): 通过散热器可处理较大电流(如TO-220可达50-100A)｡
开尔文连接可选: 部分型号提供｡
典型应用: 中等功率应用(如台式电脑电源､工业电源模块)､需要额外机械强度或散热的应用｡轴向型用于要求不高的小电流检测｡
- 印刷电路板 (PCB) 集成式
结构特点: 严格来说这不是一个独立的“封装”,而是直接在PCB上设计分流电阻的功能｡常用方法包括:
使用一段精密PCB走线(通常是铜) 作为分流电阻｡需要精确计算走线长度､宽度､厚度和铜箔的电阻率/温度系数｡精度和温漂较差｡
在PCB上开窗,焊接一段专用的锰铜分流条 (Manganin Shunt Bar)｡这结合了PCB集成的便利性和专用合金的优良性能｡
优点: 成本低(尤其走线方案),设计灵活,节省空间(无额外元件)｡
缺点: 精度和稳定性通常不如专用分立器件(尤其纯走线方案),设计复杂,需要精确计算和补偿｡
典型应用: 对成本极度敏感､精度要求不高(如过流保护阈值检测)的大批量产品,或需要特殊形状/位置的应用｡
选择分流器电阻封装的关键考虑因素:
- 额定电流: 决定所需封装尺寸和散热能力｡
- 功耗/温升: 电流平方乘以阻值就是功耗,功耗必须能被封装有效散出,将温升控制在允许范围内(温升直接影响精度和寿命)｡
- 测量精度要求: 高精度测量必须选择低温度系数､开尔文连接的金属合金型封装(SMD带散热焊盘或金属片/TO型)｡
- 空间限制: PCB面积和高度｡
- 散热条件: PCB铜箔面积､有无额外散热器､通风条件｡
- 安装方式: SMT vs THT,是否需要螺栓固定｡
- 成本: 精密金属合金SMD和金属片封装成本较高,PCB集成成本最低｡
分流器电阻的封装是其性能的关键决定因素｡从用于超大电流､需要强制散热的金属片/条状螺栓安装式,到适合高精度､自动化生产､中小功率的金属合金开尔文连接SMD(尤其带散热焊盘型),再到传统的功率型通孔封装(TO-220/247) 以及成本最低但精度较差的PCB集成方案,工程师需要根据具体的电流大小､精度要求､散热条件､空间和成本预算来做出最合适的选择｡金属合金开尔文连接SMD封装在现代电子设计中因其优异的性能和SMT兼容性而应用最为广泛｡
