CN111337726A - 一种基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流电流检测技术领域，具体涉及一种基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法，该电路结构包括PCB焊盘结构和至少一个贴片分流器，贴片分流器包括电阻部分和焊脚部分，PCB焊盘结构包括PCB基板，PCB基板上设置载流铜箔以及对应于贴片分流器的检流点布线，载流铜箔包括PCB焊盘，焊脚部分通过PCB焊盘固定于PCB基板，每一个PCB焊盘包括两个分离的部分，检流点布线位于两个分离的部分的间隔位置，检流点布线对应的检流点设置于电阻部分。应用该电路结构进行电流检测时，检流电压信号是贴片分流器的电阻部分两端的压降，能够有效地减小温漂，提高检测稳定性且直流电流检测精度高。

Description

一种基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法

技术领域

本发明涉及直流电流检测技术领域，具体涉及一种基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法。

背景技术

目前面对全球范围的资源以及能源紧缺现状，各国都在积极倡导节能低碳，控制碳排放量，对新能源投入开发和利用。所以，锂电池技术得到蓬勃发展，小到手机数码产品，大到电动汽车，锂电池应用已遍布于人们日常生活的各个领域，为大家的出行和生活提供了极大的便利。市场对锂电池的需求巨大，为提高锂电池的循环寿命、长期稳定性、放电电流精准度、安全性等电化学性能，必须严格控制锂电池的一致性和精确评定电池等级，所以对化成分容设备的电流和电压的测量精度也提出了更高的要求。

现有的锂电池化成分容的电流电压检测电路一般都需要使用贴片分流器。通常的贴片分流器主要采用如图1所示的伪四线制PCB(Printed Circuit Board、印制电路板)焊盘结构。该伪四线制PCB焊盘结构的封装方式为，贴片分流器两端的焊脚部分均通过PCB焊盘6固定于PCB基板上，输入检流点2和输出检流点3对称设置于贴片分流器的焊脚部分。针对如图2所示的伪四线制PCB焊盘结构等效电路进行分析，输入检流点布线4对应的输入检流点2和输出检流点布线5对应的输出检流点3之间检测的是贴片分流器两端的无氧铜的焊脚部分的压降，由于采用贴片工艺，贴片分流器和载流铜箔1之间有一层锡膏，该锡膏会引起接触电阻，加上贴片分流器无氧铜的焊脚部分的电阻，则检测电压等效为：

U_(4-5)＝I×(R_CU1+R_C1+R_S1+R_CU2+R_C2) (1)

其中，R_CU1为第一载流铜箔电阻，R_C1为第一接触电阻，R_S1为检流电阻，R_CU2为第二接触电阻，R_C2为第二载流铜箔电阻。式(1)中，R_CU1、R_C1、R_CU2和R_C2的温度系数远大于R_S1的温度系数，在长时间运行过程中，检测电压U_(4-5)会出现漂移和电压偏高的现象。

发明内容

为克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法，应用该电路结构进行电流检测，能够有效地减小温漂，提高检测稳定性且直流电流检测精度高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供一种基于贴片分流器的电路结构，包括PCB焊盘结构和至少一个贴片分流器，所述贴片分流器包括电阻部分和焊脚部分，所述PCB焊盘结构包括PCB基板，所述PCB基板上设置载流铜箔以及对应于所述贴片分流器的检流点布线，所述载流铜箔包括PCB焊盘，所述焊脚部分通过所述PCB焊盘固定于所述PCB基板，每一个所述PCB焊盘包括两个分离的部分，所述检流点布线位于所述两个分离的部分的间隔位置，所述检流点布线对应的检流点设置于所述电阻部分。

优选的，所述电路结构包括若干个所述贴片分流器，所有的所述贴片分流器依次并联。

优选的，所述电路结构还包括汇流铜片，所述汇流铜片设置于所述载流铜箔的留白位置，且位于所述贴片分流器的外侧。

优选的，所述检流点布线包括输入检流点布线和输出检流点布线，所述输入检流点布线对应的输入检流点和所述输出检流点布线对应的输出检流点对称设置。

优选的，所述PCB基板上开设有槽形孔，所述槽形孔位于所述贴片分流器的正下方位置。

优选的，所述贴片分流器的温度系数为百万分之五十，所述汇流铜片的厚度为1-2mm，所述槽形孔的长度为1-2mm。

优选的，所述贴片分流器为合金贴片分流器，所述贴片分流器的精度误差小于或等于0.1％。

第二方面，提供一种基于贴片分流器的电流检测方法，应用于第一方面所述的一种基于贴片分流器的电路结构；所述电流检测方法包括：获取所述贴片分流器对应的输入检流点和输出检流点之间的电压信号，并对所述电压信号进行计算，以得到流经所述贴片分流器的电流信号。

优选的，所述电流检测方法还包括：根据所述贴片分流器的功耗和温升确定所述贴片分流器的阻值。

优选的，所述电流检测方法还包括：根据所述贴片分流器的功耗、温升或电阻变化值对所述贴片分流器进行温度补偿。

本发明的有益效果是：一种基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法，应用该电路结构进行电流检测时，获取所述贴片分流器对应的输入检流点和输出检流点之间的电压信号，并对所述电压信号进行计算，以得到流经所述贴片分流器的电流信号。该基于贴片分流器的电路结构和电流检测方法，检流点设置于所述贴片分流器的电阻部分，输入检流点和输出检流点之间检测的电压信号是贴片分流器的电阻部分两端的压降，由于电阻部分的温度系数小，在恒定电流的情况下检测电压是稳定不变的，有效地减小了温漂，达到了高精度直流检流的目的，检测稳定性强，可以广泛应用于高精度检流领域。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1示出了现有技术中伪四线制PCB焊盘结构图；

图2示出了现有技术中伪四线制PCB焊盘结构等效电路图；

图3示出了本发明的实施例的贴片分流器的结构图；

图4示出了本发明的实施例的真四线制PCB焊盘结构图；

图5示出了本发明的实施例的真四线制PCB焊盘结构等效电路图；

图6示出了本发明的实施例的基于贴片分流器的电路结构的PCB焊盘结构图；

附图标记说明如下：

1--载流铜箔、2-输入检流点、3-输出检流点、4-输入检流点布线、5-输出检流点布线、6-PCB焊盘、7-电阻部分、8-焊脚部分、9-汇流铜片、10-槽形孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图3-6，作为一种示例，本实施例的一种基于贴片分流器的电路结构，包括PCB焊盘结构和至少一个贴片分流器，所述贴片分流器包括电阻部分7和焊脚部分8，所述PCB焊盘结构包括PCB基板，所述PCB基板上设置载流铜箔1以及对应于所述贴片分流器的检流点布线，所述载流铜箔1包括PCB焊盘6，所述焊脚部分8通过所述PCB焊盘6固定于所述PCB基板，每一个所述PCB焊盘6包括两个分离的部分，所述检流点布线位于所述两个分离的部分的间隔位置，所述检流点布线对应的检流点设置于所述电阻部分7。

本发明的实施例中的基于贴片分流器的电路结构，检流点设置于所述贴片分流器的电阻部分7，输入检流点2和输出检流点3之间检测的电压信号是贴片分流器的电阻部分7两端的压降，由于电阻部分7的温度系数小，在恒定电流的情况下检测电压是稳定不变的，有效地减小了温漂，达到了高精度直流检流的目的，检测稳定性强，可以广泛应用于高精度检流领域。

具体地，间隔位置为所述两个分离的部分中间隔开的位置。贴片分流器包括电阻部分7和焊脚部分8，焊脚部分8为无氧铜部分，主要用于焊接，电阻部分7为低温漂合金电阻检流部分。贴片分流器在应用过程中电阻部分7是不能沾染任何导电物质的，否则贴片分流器的阻值会变小，温度系数(温度系数是指材料的物理属性随着温度变化而变化的速率)会变差，从而导致温漂严重和测量电流精度变差。所以，鉴于贴片分流器的电阻部分7和焊脚部分8的材料温度特性和稳定性的不同，检测电压差应尽量选取电阻部分7两端的电压差，以提高检测的精度和稳定性。

本发明的实施例中的基于贴片分流器的电路结构，采用如图3所示的真四线制PCB焊盘结构，该真四线制PCB焊盘结构的封装方式为，贴片分流器两端的焊脚部分8均通过PCB焊盘6固定于PCB基板上，输入检流点2和输出检流点3对称设置于贴片分流器的电阻部分7，且检流点布线位于PCB焊盘6的两个分离的部分的间隔位置。针对如图4所示的真四线制PCB焊盘结构等效电路进行分析，输入检流点2和输出检流点3之间检测的是贴片分流器的电阻部分7两端的压降，实际上也就是贴片分流器的低温漂合金电阻检流部分两端的压降，则检测电压等效为：

U_(4-5)＝I×R_S1 (2)

其中，R_S1为检流电阻。由于R_S1的温度系数小，在恒定电流的情况下U_(4-5)是稳定不变的。应用本发明的实施例中的基于贴片分流器的电路结构，可以达到高精度的检流的目的，广泛应用于直流电流高精度检测等精密测量领域，如电芯、电池高精度电流测量领域。

进一步地，所述电路结构包括若干个所述贴片分流器，所有的所述贴片分流器依次并联。

具体地，阻抗匹配主要应用在传输线上，以达到所有高频微波信号都能传至负载的目的，不会有信号反射回来源点，从而提高能源效益。一个具体的电路，其阻抗是随时变化的，它会随着电流频率的改变而改变。如果不进行阻抗匹配，则会在传输线上形成反射，能力传递不过去，效率降低，可能还会在传输线上形成驻波，导致传输线的有效功率容量降低，功率发射不出去，严重时甚至会损坏发射设备。如果电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配，则会产生震荡和辐射干扰等，对整个电路结构的影响是非常严重的。所以，所有的所述贴片分流器进行并联阻抗匹配是很有必要的，以便进一步提高检测稳定性。

进一步地，所述电路结构还包括汇流铜片9，所述汇流铜片9设置于所述载流铜箔1的留白位置，且位于所述贴片分流器的外侧。

具体地，留白位置为载流铜箔1表面上不设置元器件的位置。本发明的实施例中的基于贴片分流器的电路结构，在使用过程中，优先将贴片分流器布局放置于周围空气良好流通的区域，再在贴片分流器周围的载流铜箔1上贴汇流铜片9以进一步帮助导流和散热。

进一步地，所述检流点布线包括输入检流点布线4和输出检流点布线5，所述输入检流点布线4对应的输入检流点2和所述输出检流点布线5对应的输出检流点3对称设置。

具体地，所述电路结构包括若干个(即多个)所述贴片分流器，在多个贴片分流器并联的应用场景下，贴片分流器的电压检流点应尽量做到对称设置，以实现检测线路阻抗匹配的目的。

进一步地，所述PCB基板上开设有槽形孔10，所述槽形孔10位于所述贴片分流器的正下方位置。

具体地，槽形孔10的设置，有利于帮助检流过程中的贴片分流器实现进一步的通风和散热的目的。

进一步地，所述贴片分流器的温度系数为百万分之五十，所述汇流铜片9的厚度为1-2mm，所述槽形孔10的长度为1-2mm。

具体地，在PCB布局中，贴片分流器优先放置于空气良好流通的区域以便获得良好的通风散热。针对大于或等于100A大电流的情况下，在使用5930型以及更大封装的贴片分流器时，可在贴片分流器正下方的PCB基板上开设1-2mm长度的槽形孔10，在载流铜箔1上贴1-2mm厚度的汇流铜片9，可以进一步提高PCB基板的载流能力和散热能力，及时地将贴片分流器上的热量带走，减小贴片分流器的温升，以保证贴片分流器阻值的稳定性。

进一步地，所述贴片分流器为合金贴片分流器，所述贴片分流器的精度误差小于或等于0.1％。

具体地，合金贴片分流器包括锰铜合金贴片分流器。在贴片分流器的选型过程中，可选择精度误差为0.1％或者更优的贴片分流器，以提高检流精度。

具体地，本发明实施例提供了一种安全可靠、低成本、可实现高精度电流检测的电路结构，即本发明的实施例中的基于贴片分流器的电路结构，该电路结构的特性为：

1)温漂：选用温度系数小于或等于50PPM(百万分之五十)的合金贴片分流器。

2)散热：贴片分流器周围的载流铜箔1贴汇流铜片9，以便进一步帮助导流以及散热。

3)多个贴片分流器并联阻抗匹配。

以下为本发明实施例提供的一种基于贴片分流器的电流检测方法的实施例。该基于贴片分流器的电流检测方法应用于上述实施例中的贴片分流器的电路结构，可以参考上述基于贴片分流器的电路结构的实施例。

作为一种示例，本实施例的一种基于贴片分流器的电流检测方法，包括：获取所述贴片分流器对应的输入检流点2和输出检流点3之间的电压信号，并对所述电压信号进行计算，以得到流经所述贴片分流器的电流信号。

本发明实施例中的一种基于贴片分流器的电流检测方法，检流点设置于所述贴片分流器的电阻部分7，输入检流点2和输出检流点3之间检测的电压信号是贴片分流器的电阻部分7两端的压降，由于电阻部分7的温度系数小，在恒定电流的情况下检测电压是稳定不变的，有效地减小了温漂，达到了高精度直流检流的目的，检测稳定性强，可以广泛应用于高精度检流领域。

具体地，对所述电压信号进行计算的过程中，可以选用电流信号＝电压信号/贴片分流器的电阻阻值的公式。

进一步地，所述电流检测方法还包括：根据所述贴片分流器的功耗和温升确定所述贴片分流器的阻值。

具体地，通过计算贴片分流器的功耗和温升，可以确定选取的贴片分流器的阻值；

根据所检测的电流大小计算贴片分流器的功耗：

P_功耗＝I^²×R_S1 (3)

其中，P_功耗为贴片分流器的功耗(单位：W)，其忽略了接触电阻的功耗，I为流经贴片分流器的电流(单位：A)，R_S1为贴片分流器的电阻(单位：Ω)。

根据贴片分流器的功耗计算贴片分流器的温升：

T＝P_功耗×(R_θ分流器-R_θ散热) (4)

其中，R_θ分流器为贴片分流器的热阻(单位：℃/W)，R_θ散热为载流铜箔1的热阻(单位：℃/W)。

在实施本发明实施例中的一种基于贴片分流器的电流检测方法时，可以选用高精度电流表和高精度万用表(一般情况下选用高于6 1/2以上的仪表)。以高精度电流表测量值为基准，根据电流量程分为6-8个档位段，y＝Kx+B分段线性拟合校正，将K值和B保存在存储器中，以获得高精度的检测结果。

进一步地，所述电流检测方法还包括：根据所述贴片分流器的功耗、温升或电阻变化值对所述贴片分流器进行温度补偿。

具体地，为了获得更好的检测精度和长时间的稳定性，可以根据温度变化对基于贴片分流器的检流电路做温度补偿，以消除温度变化带来的漂移问题。

利用温度传感器测量贴片分流器表面的温度，根据贴片分流器的温度系数计算变化电阻做温度补偿，具体为：。

ΔR＝(T_C-T₂₅)×T_CR×R_S1 (5)

其中，ΔR为温升引起电阻变化量(单位：Ω)，T_C为贴片分流器的表面温度(单位：℃)，T₂₅为环境25℃时贴片分流器的表面温度(单位：℃)，T_CR为贴片分流器的温度系数(单位：PPM/℃)，R_S1为贴片分流器的电阻(单位：Ω)。

根据电流大小公式(3)计算贴片分流器的功耗，公式(4)计算贴片分流器的温升或公式(5)计算贴片分流器的电阻变化量，以便根据所述贴片分流器的功耗、温升或电阻变化值对所述贴片分流器进行温度补偿，以获得高精度检流效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，包括PCB焊盘结构和至少一个贴片分流器，所述贴片分流器包括电阻部分(7)和焊脚部分(8)，所述PCB焊盘结构包括PCB基板，所述PCB基板上设置载流铜箔(1)以及对应于所述贴片分流器的检流点布线，所述载流铜箔(1)包括PCB焊盘(6)，所述焊脚部分(8)通过所述PCB焊盘(6)固定于所述PCB基板，每一个所述PCB焊盘(6)包括两个分离的部分，所述检流点布线位于所述两个分离的部分的间隔位置，所述检流点布线对应的检流点设置于所述电阻部分(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，所述电路结构包括若干个所述贴片分流器，所有的所述贴片分流器依次并联。

3.根据权利要求2所述的一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，所述电路结构还包括汇流铜片(9)，所述汇流铜片(9)设置于所述载流铜箔(1)的留白位置，且位于所述贴片分流器的外侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，所述检流点布线包括输入检流点布线(4)和输出检流点布线(5)，所述输入检流点布线(4)对应的输入检流点(2)和所述输出检流点布线(5)对应的输出检流点(3)对称设置。

5.根据权利要求3所述的一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，所述PCB基板上开设有槽形孔(10)，所述槽形孔(10)位于所述贴片分流器的正下方位置。

6.根据权利要求5所述的一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，所述贴片分流器的温度系数为百万分之五十，所述汇流铜片(9)的厚度为1-2mm，所述槽形孔(10)的长度为1-2mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于贴片分流器的电路结构，其特征在于，所述贴片分流器为合金贴片分流器，所述贴片分流器的精度误差小于或等于0.1％。

8.一种基于贴片分流器的电流检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任意一项所述的一种基于贴片分流器的电路结构；所述电流检测方法包括：获取所述贴片分流器对应的输入检流点(2)和输出检流点(3)之间的电压信号，并对所述电压信号进行计算，以得到流经所述贴片分流器的电流信号。

9.根据权利要求8所述的一种基于贴片分流器的电流检测方法，其特征在于，所述电流检测方法还包括：根据所述贴片分流器的功耗和温升确定所述贴片分流器的阻值。

10.根据权利要求8所述的一种基于贴片分流器的电流检测方法，其特征在于，所述电流检测方法还包括：根据所述贴片分流器的功耗、温升或电阻变化值对所述贴片分流器进行温度补偿。

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