4 硬件版本 B

节 3中得出的结果最初意味着，如果无法控制迹线的真实厚度以及覆铜在电流流过时改变电阻这一倾向，则在实际应用中使用覆铜迹线分流电阻器并不可行。不过，图 4-1 显示了另一种设计版本以及一种替代的试验设置，该试验设置展示了如何避免之前讨论的问题。此设计称为“版本 B”。

图 4-1 版本 B 电路板

顶部的迹线（请参阅图 4-1）尝试向 100mil 迹线周围添加大量的覆铜（扩展接地层），以减少 PCB 制造误差的影响。第二个迹线是一个正常的 100mil 迹线，由 INA190（与第一个版本中一样）和 INA181 进行测量。INA181 电流检测放大器专为成本优化型应用设计。该器件属于双向电流检测放大器（也称为电流分流监控器）系列，可在独立于电源电压的 –0.2V 至 +26V 共模电压范围内检测电流检测电阻器上的压降。INAx181 系列器件在四个固定增益器件选项中集成了匹配的电阻器增益网络：20V/V、50V/V、100V/V 或 200V/V。此匹配的增益电阻网络可更大限度地减少增益误差，并降低温漂。将 INA181 与 INA190 进行比较的原因是为了分析能否将覆铜迹线分流器与更低成本的 INA181 结合使用来开发成本更低但精度也更低的电流检测替代方案。对于此迹线，没有尝试调整迹线的厚度。相反，使用两点校准来尝试准确地预测器件的输出，而不管其实际厚度如何。此类校准也使用其他迹线宽度进行了测试。最后，图 4-1 中的最后三个迹线均是重复的 8mil 迹线，主要旨在观察单个电路板中迹线宽度不确定性所对应的影响。

表 4-1 显示了具有扩展接地层时 100mil 迹线的误差百分比结果。表 3-1 中再次给出 100mil 迹线误差只是为了进行比较，而图 4-1 中显示了没有接地层时 100mil 迹线的情况。和之前一样，“电路板 1”和“电路板 2”表示相同版本的不同电路板。

即便与同一电路板上的迹线相比时，误差也显著减小，但仍然很大。不过，根据多个电路板的测试结果，误差似乎至少是一致的。这意味着这项技术是可行的，但不同制造商的不同电路板可能会产生不同的误差。此外，较大的接地层会占用很大的空间，基本上也就消除了使用较小的 100mil 迹线相较于使用 1750mil 迹线的优势，因为后一种选项会更为准确且占用的电路板面积大致相同。此试验的结果表明，覆铜层越连续，迹线厚度与预期值就越接近，并且获取正确值的电阻需要很大的迹线。

该电路板还用于确定可节省空间的简单校准过程的有效性。图 3-1 中所示的曲线表明，可将预期输出与实际输出之间的差异简单地视为增益误差。通过使用低电平和高电平电流对迹线进行校准，理论上可以预测实际 曲线上的任何输出。受到多个因素影响，此过程会有些复杂。首先，如图 3-4 中所示，当电流流过迹线时，电阻会发生改变。这意味着，根据进行测量的时间，校准曲线可能存在偏斜。在一些情况下，记录的输出稳定时间超过 5 分钟。此外，如果不同电路板之间的迹线厚度存在显著差异，则制造商需要单独校准每块电路板，批量校准过程会导致不准确。最后，以这种方式进行校准不支持与校准温度的偏差而导致的变化。

要确定两点校准方法的可行性，第一步是使用切合实际的过程。表 4-2 显示了 4 种可能的设置，不同设置之间的区别在于收集的数据点的多少、是否允许校准输出测量达到稳定，以及是否允许测试输出达到稳定。每个设置均用于预测 2.5A 电流流过迹线时 INA190 的输出。另外还提供了使用该校准时的预测与实际输出之间的误差百分比。这些数据均使用图 4-1中的“普通”100mil 迹线测量获得。

第一个设置采用了四个校准数据点，其中三个位于低电平电流范围内。这种设置最不切实际，因为在实际应用中，等待四个不同的校准点稳定后再进行记录是不可行的。在实际应用中，电流通过迹线的时间通常足够长，足以使迹线达到均衡温度。在温度稳定前记录测试输出会导致不准确的实际运行条件仿真。为此，第二个和第三个设置也不切实际。第四个选项最为可行：最少的数据点、最短的校准过程等待时间，以及长时间流过的测试电流。不幸的是，此过程误差最大，但却是唯一一种可在现实中大量实现的选项。

为了测试校准过程，这里使用记录的数据点计算了校准曲线的斜率和截距。可以使用这些数字预测电流，从而反向计算 INA190 的输出。由于实际电流是已知的，因此通过计算误差百分比可以揭示校准的有效性。校准的第一个迹线是用于获取 表 4-2 数据的 100mil 迹线。使用的校准电流为 0.1A 和 5A 或 10A。使用的四个测试电流如下：0.01A、2.5A、5.5A 和 7A。对于每一个测试电流，均会等待 INA190 输出稳定后再进行记录。为了全面地检查此技术的功能，这里使用了版本 B 中的 100mil 迹线来预测版本 A 中 200mil 迹线的 INA190 输出。表 4-3 和表 4-4 显示了对应的结果。校准数据从版本 B 的电路板 1 获得。

通过测试两个不同的校准点，展示了可以如何根据预测的电流来调整校准。100mil 迹线可以处理 5A 电流，同时保持在温度升高 20°C 的相对任意限制范围内。校准至更大的电流可以更准确地预测更大的电流，但难以推断较小的电流。另外，用于不同宽度和版本的迹线时，校准预测的精度也会受到严重影响。这是正常情况，因为这时引入了更多可能导致偏离校准条件的因素。

此校准过程也用于具有扩展接地层的迹线，以及 8mil 迹线。表 4-5 和表 4-6 显示了对应的结果。用于 8mil 迹线的两个校准点是 0.02A 和1A。

最后，使用 INA181 进行了校准。该过程与用于 INA190 的方法相同，唯一的区别是使用了不同的器件。这里仅使用此校准技术检查了 100mil 迹线。表 4-7 显示了对应的结果。

前述表格中的数据展示了两点校准流程的几个限制。从一个电路板获取的校准点通常能够用于预测同一版本其他电路板的输出。不过，对于不同版本的电路板，由于 PCB 制造随时间推移的不确定性，精度会显著降低。INA181 在性能表现上还似乎相当于甚至优于 INA190。这意味着可以使用 INA181 来代替 INA190 并获得类似的结果，至少在通过校准补偿偏差时可以如此操作。

最后，版本 B 提供了机会来重新检查迹线形状对电阻的影响。表 4-8 显示了这些试验的结果，格式类似于表 3-1。

虽然存在差异，但要确定这些变化是由迹线形状引起的还是由厚度差异造成的，却颇具挑战性。从相同形状的迹线具有不同的平均值（右侧与左侧）这一事实可以看出，此差异是因为之前讨论的同一容差造成的，或者至少是因为迹线形状带来的任何电阻差异不足以克服厚度偏差的影响。

所有结果都显示极小的电流值具有大得多的误差百分比，但这是 INA190 和 INA181 的失调误差造成的正常现象。即使对于传统的 SMT 电阻器，这些问题通常也会出现。