Bourns《Using Current Sense Resistors for Accurate Current Measurement》全文精译 — 用采样电阻实现精确电流测量

原文：Bourns, Inc.，应用笔记《Using Current Sense Resistors for Accurate Current Measurement》，© 2025 Bourns • 09/25 • 文号 e/N2547，正文 6 页。原文 PDF：90_资料源/电阻采样_Bourns_AccurateCurrentMeasurement.pdf。 本篇为全文忠实精译：覆盖原文全部章节——引言、采样电阻工作原理（压降 10~130 mV、输入共模电压、K 型阻性材料 TCR ±50 ppm/℃）、开尔文四线测量（铜箔 TCR 3900 ppm/℃ vs 合金 <50 ppm/℃、二端/四端两条路线）、CSS/CSM 系列方案与全型号表（9 行全录）、回流焊曲线（J-STD-020）、五大应用例（BMS/DC-DC/数字电机控制/热插拔/智能电表）、结语。图 1~12 逐图标注。 文末“采样电阻选型三角与库内联动”一节为本库展开（原文无此节），素材取自本篇正文与库内 UCC28781/MP6951 文档，逐条标注来源。

译注约定：①单位与符号照原文转写；②图内元件丝印为竖排字符，pdftotext 无法辨认，一律标“见原 PDF 图 N”；③原文可疑处照录加译注，不擅自改数。

引言（原 PDF 第 1 页）

降低 CO₂ 排放、电网智能化、汽车电动化这些全球趋势，都在推动电子电路走向更高效率。对电路设计者与系统运营者而言，知道电路里流过多少电流、有多少真正送到了负载，是非常有价值的信息：最大化电池的工作性能、控制电机转速、服务器机柜热插拔——这些应用都能从精确电流测量中直接受益。

本应用笔记要说明的是：为什么采样电阻（current sense resistor）是帮助 OEM 做出更高效电路设计的最优低成本方案。（原文此处并列展示 CSS 系列与 CSM 系列采样电阻产品照。）

采样电阻的工作原理（原 PDF 第 1~2 页）

采样电阻被公认为高性价比元件——与其他测量技术相比，它的测量精度高，因此能帮助提升系统效率、降低损耗。它几乎适用于所有市场，对汽车、工业与计算机电子设计中的精确电流测量尤其有用。

采样电阻的原理是把电流检测并转换为电压：它的阻值极低，串入电路后只产生 10~130 mV 的微不足道的压降。采样电阻（shunt）与被测负载串联，全部被测电流都流过它；按欧姆定律，已知阻值上的压降正比于电流。这个压降可以由多种放大器读出——运算放大器、差分放大器、仪表放大器皆可。

见原 PDF 图 1（第 1 页）：电流测量基本接法——被测电流流入 Rshunt，并联的电压表（Voltmeter）读压降；同一电流在上下两个支路重复标注“Current to be measured”。

选型时首先看**输入共模电压（input common-mode voltage）**指标：它是放大器两个输入端上电压的平均值——这决定了你能把采样电阻放在高侧还是低侧。

见原 PDF 图 2（第 2 页）：K 型（K-Type）阻性材料采样电阻的 TCR 曲线——横轴温度 −55~+170 ℃，纵轴 dR/R₂₅（%）−1.0~+1.0；全温区曲线落在 ±50 ppm/℃ 材料档（图注“Material Chart ±50 PPM TCR”）之内。这就是“温漂三角”里温漂那条边的实物依据。

开尔文（Kelvin）四线测量（原 PDF 第 2 页）

采用极低阻值二端表贴电阻的设计会发现：焊盘接触电阻与 PCB 走线电阻（合称 Rlead）不确定、而且通常比采样电阻本体（Rshunt）还大——Rlead + Rlead >> Rshunt，电流测量因此失准。更糟的是，PCB 铜走线的 TCR 高达 3900 ppm/℃，比采样电阻合金本体（< 50 ppm/℃）高近两个数量级：温度一变，“引线”的阻值变化远超本体，整条电流通路的温度依赖性被铜箔劫持。

见原 PDF 图 3（第 2 页）：二端接法等效——Rlead（两侧）+ Rshunt 串联，电压表跨整个串联链读数（图题 TCR of R Lead：读数里混入了铜的温漂）。 见原 PDF 图 4（第 2 页）：开尔文接法等效——电压表只跨 Rshunt 本体（图题 TCR of R Shunt：读数只跟随合金的温漂）。

对策是采用**四线开尔文原理（4-wire Kelvin principle）**的采样电阻：为电压测量单独引出两根端子，与主电流通路分开。

二端电阻也能借用四线开尔文法：在 PCB 上把“电流路径”与“电压感测路径”从电阻体分开走线，直接感测电阻体上的压降，即可提升测量精度；除非要求极限精度，二端电阻 + PCB 开尔文走线是最经济的选择。

见原 PDF 图 5（第 2 页）：二端采样电阻的四线开尔文接法——大电流走线（High Current Trace）从两端进出，铜箔（Copper Trace）与电流感测走线（Current Sensing Trace）在电阻体焊盘处分开取电压[译注：图内竖排丝印字符（如 R015 档代号）无法从文本层辨认，以原 PDF 为准]。

若设计允许，优先选四端（4-terminal）采样电阻：电流端子与电压端子物理分立，测量精度更有保障。开尔文原理还有一个附带好处——随着温度升高，感测放大器看到的阻抗更稳定，TCR 的影响被进一步压低。

见原 PDF 图 6（第 2 页）：四端采样电阻的四线开尔文接法（本体即带独立感测端子，同样以大电流走线 + 感测走线分开布线）[译注：图内竖排丝印同上]。

高效电路设计方案：CSS / CSM 系列（原 PDF 第 3 页）

Bourns 为各类应用的精确测量需求开发了 CSS 与 CSM 两个大功率采样电阻系列：采用电子束焊接（electron beam-welded）金属条工艺，阻性材料为铁铬（iron chrome）或锰铜（manganese copper）合金，电特性优异；铜合金端子带来额外机械强度与良好的可焊性。

凭借极低阻值、低热电动势（thermal EMF）、低 TCR、超高功率与优异的长期稳定性，CSS/CSM 是高精度电流测量方案；要求更高精度的场合，除二端 CSS 外还有四端版本。低热 EMF 带来低压降与更高测量精度；长期稳定性方面，额定功率下 130 ℃、21 000 小时 ΔR/R 最大 1%。

CSS/CSM 通过 AEC-Q200 车规认证。CSS 系列：额定功率 2~15 W，阻值 0.2~5 mΩ，面向大电流；CSM 系列：持续功率 36~50 W，阻值 25~200 µΩ。两系列在 20~60 ℃ 区间 TCR 低至 50 ppm/℃，阻值随温度漂移极小；工作温度扩展到 −55~+170 ℃，满足恶劣环境的可靠性要求，符合 RoHS*；Bourns 也可按客户要求定制外形与机械/电气特性。它们与 Bourns 功率电感、整流二极管等电路调理产品互补。

型号表（原文全录，9 行）：

[本库代入核对：CSM2F-7036 下限 25 µΩ 满功率 50 W → I²R = 1414²×25 µΩ ≈ 50 W ✓，电流额定值与功率/阻值自洽。]

推荐回流焊曲线（原 PDF 第 4 页）

需要几毫欧及以下极低阻值的应用会发现：焊料的电阻成为感测电阻中相当可观的一部分，直接贡献测量误差——焊接质量因此进入误差预算。

Bourns 按 IPC/JEDEC J-STD-020 为 CSS/CSM 推荐回流焊曲线。

见原 PDF 图 7（第 4 页）：焊料曲线——横轴 0~300 s、纵轴 25~275 ℃；关键标注：升温斜率 ≤3 ℃/s；150 ℃ 平台 60~120 s；190 ℃；220 ℃ 以上 90~150 s；峰值 260 ℃（255 ℃ 线标注“+255~+260 ℃ 之间最多 20 s”；至少 10 s）；降温 6 ℃/s[译注：各标注与温度轴的精确对应以原 PDF 图面为准]。

应用示例（原 PDF 第 4~6 页）

电池管理系统 BMS（原 PDF 第 4 页）

电池管理需要连续监测流过电路的电流——在汽车等使用充电电池的市场，电池状态直接决定系统可用性。用 CSS/CSM 这类采样电阻做电池管理，精确且低成本：亚毫欧阻值同时满足低压降与高精度；能承受 100~1000 A 起动机电流；低 TCR 恰好匹配汽车的大温度波动。

见原 PDF 图 8（第 4 页）：BMS 框图——电池经 Rshunt 接充电器/负载，电流传感器（Current Sensor）读采样电压。

BMS 的三项主任务：过流保护；充电过压保护；限制充/放电电流。

DC/DC 变换器（原 PDF 第 5 页）

移动设备市场快速增长，高性能电源越来越重要。电流模式 DC/DC 变换器中开关电源的效率高于传统线性电源；高稳定性与高效率对保护敏感电路、延长电池寿命极为关键。图 9 展示 CSS 系列如何提供紧公差阻值。

DC/DC 用采样电阻的特性：阻值 < 10~20 mΩ 以降低损耗；低 TCR 与低热 EMF 把自热与各种环境温度的负面影响降到最小甚至消除。

见原 PDF 图 9（第 5 页）：DC/DC 变换器框图——电流传感器经 Rsense 接功率级。

数字电机控制（原 PDF 第 5 页）

电机控制正在接纳数字技术，元件级标准 IEC 60747-17 已落地。数字控制带来更快的环路响应、可集成的过流保护、更窄的死区——输出电压更平滑，转矩控制随之改善。

见原 PDF 图 10（第 5 页）：三相永磁电机驱动框图——栅极驱动器（Gate Drivers）+ 隔离屏障（Isolation Barrier）+ ΔΣ 调制器（Sigma-Delta Modulator）×2 + 滤波与控制（Filter and Control）；采样电阻上的电压经简单 RC 低通后由加强隔离的 ΔΣ 调制器直接读取，无需额外器件。

电机驱动时不时会发生短路，采样电阻必须能承受短时过载而不损坏——这是选型的重要考量。采样电阻阻值低至 0~2 mΩ（视最大功率而定）[译注：原文印“0 to 2 milliohms”，下限为 0 显系排版之误，按 CSS 系列下限应为 0.2 mΩ——「待核实」]；低 TCR 帮助设计者把阻值随温度的漂移压到最小。CSS 系列用特种合金制造，过温阻值漂移低，输出电压可由隔离 Σ-Δ 调制器以可调比例因子读取。

热插拔电路 Hot-Swap（原 PDF 第 6 页）

热插拔主要用于 IT 与通信系统：系统不断电的前提下更换部件或模块。热插拔电路还必须保护模块免受短路、过流、浪涌电流与欠压。

见原 PDF 图 11（第 6 页）：热插拔框图——Vin 经 Rsense 到负载，热插拔控制器（Hot-Swap Controller）监测采样电压。

此应用中热插拔控制器监测流过采样电阻的电流。采样电阻阻值低至 0.2 mΩ、能承受数百安通信电流，是热插拔的理想选择。

智能电表（原 PDF 第 6 页）

智能电表提供精确、低成本的实时电能监测。低值电阻在表内承担电流采样与电流反馈：把电阻串在大电流母线（bus bar）上，按“已知阻值上电压与电流成正比”算出电流，再与瞬时电压相乘得到瞬时功率，由 MCU 持续监测。

见原 PDF 图 12（第 6 页）：智能电表框图——火线（Line Mains）/零线（Neutral）上串 Current Sense 电阻；脉冲变压器（Pulse Transformer）、电阻分压器（Resistor Divider）、MCU 与电源（Power Supply）。

在电压与信号线之间也可以放置电阻，把电源电流限制到不损坏其他器件的水平。另一个增加部署灵活性的用法：严寒环境中让功率电阻工作在加热功能上稳定表内温度。采样电阻与电阻分压器共同向 MCU 提供电流与电压测量（更多细节见 Bourns 智能电表白皮书，原文给出 URL）。

简单、经济性更好的电流测量（结语，原 PDF 第 6 页）

采样电阻提供了简单且低成本的直接精确电流测量方法；其他优点包括低 TCR、低热 EMF 与长期稳定性。基于电子束焊接金属合金的低阻值采样产品（如 CSS/CSM 系列）具备出色的电特性与浪涌性能，可为短路和过流威胁提供高效、高可靠的防护。

采样电阻选型三角与库内联动——本库展开，非原文内容

1. 阻值 × 功率 × 温漂的三角：阻值下限被“信噪比”顶住（压降要高出底噪，Vishay 篇给出 <25 mΩ 建议上四端子），上限被“功耗与压降”压住（本篇 10~130 mV）；阻值定了，功率 P = I²R 与自热温升定了，温漂才谈得上——三者联立，只挪动自由度、不能全要。原文给出的“锚点”：合金本体 <50 ppm/℃ vs 铜箔 3900 ppm/℃，误差预算里铜箔比合金大两个数量级（§开尔文）。
2. 四线开尔文是毫欧级的必选项：<25 mΩ 一档必须四端子或 PCB 开尔文走线（本篇 §开尔文 + Vishay 篇 §5.1）；UCC28781 EVM 的 R28 0.68 Ω ∥ R21 0.22 Ω ≈ 0.166 Ω 电流检测（06_EVM用户指南精译）阻值远大于 25 mΩ，用普通二端即可——“要不要开尔文”由阻值档位决定，不由精度愿望决定。
3. 并联扩流要算均流：EVM 用 0.68 Ω ∥ 0.22 Ω 凑 0.166 Ω 属“阻值组合”接法，两支路电流按反比分担、功耗各自核算；大电流母线采样（CSM 25~200 µΩ 档）若并联分流器，还须考虑端子接触电阻的对称性（本篇未展开，属本库推断——「待核实」需另查 Bourns 应用数据）。
4. 与库内 CS 脚设计的接口：UCC28781 的 RCS = 0.18 Ω 是按 OPP 保护点反推的（04_典型应用与设计计算 式 17），不是按“满载压降”反推——采样电阻选型顺序（先定保护策略、再定阻值、再核算功率/温漂）与本篇“应用定阻值”的思路一致；MP6951 的 SR MOSFET RDS(ON) ≥ 4.9 mΩ 下限（04_典型应用与设计计算 式 4）则是“用导通电阻当采样电阻”的边界：阻值低于调节阈值后低阻白买，与 Vishay 篇 RDS(ON) 测流法 10~20% 精度的局限同源。
5. 读数链路：本篇给的放大器三选项（运算/差分/仪表）与输入共模电压定义，正是 02_单电源设计精译 四大基础电路的应用入口——低侧采样用反相组态 + VREF 偏置，高侧采样用差分组态，都从那篇的“联立方程四案例”走出。

译者附注

1. 关键数字速查：压降 10~130 mV；K 型材料 TCR ±50 ppm/℃（−55~+170 ℃）；铜箔 TCR 3900 ppm/℃；CSS 2~15 W/0.2~5 mΩ、CSM 36~50 W/25~200 µΩ、20~60 ℃ TCR 50 ppm/℃；130 ℃/21 000 h ΔR/R ≤1%；AEC-Q200；−55~+170 ℃；BMS 起动机 100~1000 A；DC/DC <10~20 mΩ；热插拔 0.2 mΩ；焊料曲线峰值 260 ℃。
2. 工艺线索：电子束焊接金属条 + 铁铬/锰铜合金 + 铜合金端子——“低热 EMF”来自两种金属接点数量少且对称，这是与厚膜电阻（热 EMF 40~50 µV/℃，见 Vishay 篇）拉开差距的物理根源。
3. 存疑点：①电机控制节“0 to 2 milliohms”下限疑为 0.2 mΩ 之误（「待核实」）；②图 7 焊料曲线各标注与温度平台的对应关系按原图辨认，个别归属（如“10 seconds minimum”所在平台）以原 PDF 为准；③图 5/6 竖排丝印字符无法从文本层转录。

上一级：07_电阻