전류 감지 저항기를 사용하여 정확한 전력 측정 및 관리를 수행하는 방법

효율성 및 전력 관리 향상에 대한 수요가 지속됨에 따라 정확한 전류 측정이 요구되고 있습니다. 이러한 요구 사항은 배터리 관리 시스템(BMS), 스위치 모드 전원 공급 장치, 모터 구동기를 비롯한 다양한 산업 및 소비자 가전 응용 분야와 전력 전자 부품에도 영향을 미칩니다.

전류를 측정하여 전력을 결정하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 전류 감지 저항기(종종 션트 저항기라고 함) 및 차동 증폭기 사용은 기술적으로 가장 적합하고 비용 효과적인 솔루션 중 하나입니다.

전류 감지 저항기는 원하는 값을 가진 '그렇고 그런 저항기'보다 훨씬 대단합니다. 전류 감지 저항기는 정밀 감지를 위해 높은 절대 정확도를 제공하고, 신뢰성을 위한 뛰어난 소멸 성능을 지원하며, 자체 발열 및 주변 온도 변환에 대해서도 온도 변화에 안정적이고 열전 접촉 효과를 최소화해야 합니다.

감지 저항기의 크기를 지정하려면 먼저 최대 전류 부하를 기준으로 전류 감지 저항기에서 수용 가능한 최대 전압 강하(V = IR)를 고려하여 적절한 저항값을 결정해야 합니다. 최대 약 100mV(밀리볼트)(공칭)를 시작점으로 사용하는 것이 좋습니다. 이는 종종 동적 범위, 감도, 잡음, 전류 흐름에 대한 방해, 손실로 인해 낭비되는 전력과 같은 인자들 사이에서 적절한 절충점을 찾습니다.

그런 다음 저항기를 통과하는 최대 전류를 확인하여 가장 높은 값을 계산합니다(R = V/I). 이는 여러 사례에서 1mΩ 미만입니다. 선택된 저항기 값 및 최대 전류를 사용하여 공식 I²R을 통해 저항기에 필요한 손실 등급을 계산할 수 있습니다.

연결 토폴로지의 중요성

마찬가지로 중요한 사실은 물리적 감지 배열은 전압 측정 오차를 최소화해야 한다는 것입니다. 극도로 낮은 저항값과 낮은 전압 강하로 인해, 전류 연결 간 접점 저항, 센서 전선, 감지 저항기와 같은 세부 요소들이 중요한 고려사항이 됩니다,

기본 2선 전압 감지 배열에서 현재 전류 흐름 경로와 저항기에 대한 전압 연결에 대한 저항기의 접점은 동일합니다(그림 1, 왼쪽).

그림 1: 2선 감지(왼쪽) 및 4선 켈빈 감지(오른쪽은)는 크기는 작지만, 전류 및 전압 접점의 물리적 연결에서 큰 차이가 있습니다. 4선 감지의 경우 리드선의 손실로 인한 오차를 최소화합니다. (이미지 출처: Wikipedia, modified by author)

그러나 2선 배열은 저항기의 낮은 전압 레벨에서 측정 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다. 2선 감지 연결로 야기되는, 상대적으로 작지만 심각한 오차를 극복하려면 4선 켈빈 감지 배열을 사용하는 것이 일반적입니다(그림 1, 오른쪽).

이 토폴로지에서 전류 흐름과 전압 감지 연결은 독립적인 접점입니다. 전기 연결 회로도는 동일하게 보일 수 있지만 물리적 구현은 크게 다릅니다.

전류 흐름 접점과 전압 감지 지점에서의 경로를 분리함으로써 4선 감지는 리드선 및 전류 흐름 접점에서의 전압 강하가 측정 정확도에 영향을 미치지 않도록 합니다. 이는 감지 저항기 값이 측정에 사용된 리드선의 저항값과 거의 동일한 경우에 정밀 판독을 할 때 특히 문제가 됩니다.

4선 감지는 전압 측정 지점을 목표 임피던스에 바로 인접하게 이동하여 고전류 경로에서 발생할 수 있는 전압 강하를 우회함으로써 이 문제를 크게 최소화합니다.

올바른 저항기 기술의 중요성

감지 저항기는 1mΩ 이하의 낮은 저항값을 가져야 할 뿐만 아니라, 주변 온도 변화로 인한 드리프트와 I²R로 유도되는 자체 발열을 방지하기 위해 낮은 온도 저항 계수(TCR)를 제공해야 합니다. 결과적으로 이러한 저항기의 설계, 재료, 제작은 고도로 전문화된 작업입니다.

Bourns, Inc.의 CSI 계열 금속 스트립 션트 저항기는 설계자가 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움을 줍니다. 이 제품군에 속한 제품은 최저 0.2mΩ의 넓은 저항값 조합과 최대 15와트(연속)의 전력 손실 정격으로 제공됩니다.

이 저항기는 전자 빔 용접(EBW) 저항성 재료 재료 및 구리 합금을 사용하여 제조되며 2단자 및 4단자 옵션으로 제공됩니다. 2단자 모델은 5930, 3920, 2512의 세 가지 풋프린트 크기로 제공됩니다. 4단자 장치는 더욱 정밀한 4선 켈빈 저항 측정을 위해 고안되었으며 4026 풋프린트로 제공됩니다.

이 장치의 고유한 금속 합금 전류 감지 소자는 +20°C ~ +60°C의 온도 범위에서 낮은 열 기전력(EMF) 및 ±50ppm/°C(섭씨 온도당 ppm)의 낮은 TCR로 션트 저항기용으로 명시적으로 설계되었습니다.

이러한 저항기 제작에는 반직관적인 재료 과학 통찰력이 사용되고 있습니다. 일반적으로 저 TCR 부품에 고 TCR 구리(약 3900ppm/°C)를 사용하는 것을 꺼릴 수 있습니다. 그러나 구리는 열전도율도 뛰어나기 때문에 전력 처리 성능을 높이기 위해 저항 설계에 세심하게 혼합되어 있습니다.

CSI 계열의 대표적인 2선 저항기 예로 CSI2H-2512R-1L00J(그림 2)를 들 수 있습니다. 이 제품은 1mΩ, 5와트 저항기로 허용 오차가 ±5%이고 TCR이 ±75ppm/°C입니다. 다른 버전은 ±2%와 심지어 1%의 더 엄격한 허용 오차로 제공됩니다.

그림 2: CSI2H-2512R-1L00J는 2선 감지용으로 고안된 1mΩ, 5와트 저항기입니다. (이미지 출처: Bourns)

이 저항기는 Bourns의 유형 R 재료를 사용하여 제작되었으며 2nH(나노헨리) 미만의 매우 낮은 자기 유도 용량을 특징으로 합니다. 자기 유도 용량은 필수적이지만 종종 간과되는 파라미터로, 저항기가 고속 스위칭 회로에 사용되는 경우 문제가 될 수 있습니다.

4선 켈빈 감지가 필요한 경우 1mΩ 부품(8와트 기준)인 CSI4J-4026R-1L00F 전류 감지 저항기를 사용할 수 있습니다(그림 3). 이 ±1% 저항기(2% 및 5% 버전도 제공됨)의 TCR은 ±75ppm/°C입니다. 자기 유도 용량은 3nH 미만입니다. 접점 구성이 다르다는 점에 유의하세요. 이는 4선 기능을 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

그림 3: 추가 분리 연결 지점이 있는 1mΩ CSI4J-4026R-1L00F는 4선 켈빈 전류 감지를 위해 특별히 설계되었습니다. (이미지 출처: Bourns)

TCR이 감지 저항기 정확도에 미치는 영향으로 인해 이러한 부품의 규격서에는 25°C에서의 성능에 따른 저항 변화를 보여주는 여러 그래프가 포함되어 있습니다.

결론

감지 저항기는 단순한 부품처럼 보이지만 더 심층적으로 살펴보세요. 응용 틈새 시장에서 기대되는 성능과 제공해야 하는 성능을 고려할 때 경험, 재료 전문성 및 제작 노하우를 갖춘 벤더만 충족할 수 있는 미묘한 사항과 고려 사항이 있으며, 이 모든 사항은 세부적 규격서를 통해 지원됩니다.

참고 자료

1: Maxim/Analog Devices, Application Note 5761, “Lord Kelvin’s Sensing Method Lives On in the Measurement Accuracy of Ultra-Precision Current-Shunt Monitors/Current-Sense Amplifiers”