在电源、电机驱动和射频系统中，频率超过 1MHz 的电流测量精度对系统性能起着决定性作用。传统的电流测量方案通常依赖电流互感器（CT）或霍尔传感器，但这些方案常常受到相位漂移、磁饱和以及带宽瓶颈等问题的限制。基于欧姆定律的分流电阻（CVR）凭借其直接、低成本、宽频响等显著优势，成为了高频电流测量的理想选择。然而，等效串联电感（ESL），也就是寄生电感，却如同一个隐藏的 “杀手”，严重影响了高频测量的准确性。

ESL：高频电流测量的隐形破坏者

所有物理电阻都存在 ESL，它本质上是电流路径的磁场储能效应。其产生主要受以下几个关键因素影响：

• 封装结构：电阻封装的长宽比越大，电感越高。例如，1206 封装的电阻电感高于 0612 封装。
• 内部走线：不同类型电阻的 ESL 存在差异，金属箔电阻的 ESL 小于厚膜电阻，而厚膜电阻又小于。
• PCB 布局：当 PCB 上的电流回路面积增大时，会叠加额外的电感。

在高频情况下，ESL 会带来灾难性的影响。当频率超过临界点时，ESL 会主导阻抗特性，具体表现为：

• 频域失真：S21 参数在转折频率后会急剧上升。以一个 50mΩ 的电阻为例，实测结果显示在 15.1MHz 处 S21 参数提升了 3dB。
• 时域振铃：阶跃响应会出现极端过冲现象。这会导致峰值电流读数虚高，开关损耗计算误差超过 15%，同时也会使 EMI 噪声预测失效。
  

  

  图 1 展示了一个简单的分流电阻电路，该电路配置用于在矢量网络分析仪（VNA）上进行 S21 测量。
  
  图 2 是图 1 中的电路，带有一个 50mΩ 的薄膜分流，采用 0612 封装，安装在夹具上。端口 2 连接在连接到 PCB 中心分流电阻器的方形引脚上。
  

  

  图 3 是图 1 中分流电阻器的 VNA 测量（S21）结果。光标指示的转折频率为 15.1MHz。
  

  

  图 4 显示了快速阶跃发生器边沿的测量情况。黄色迹线是使用连接到发生器输出的 1GHz 无源探头测量的。蓝色迹线来自测量 50mΩ 分流电阻两端电压的电流分流探头，该连接到同一个发生器输出。

3 重防御：ESL 补偿技术解析

为了应对 ESL 带来的问题，可以采用以下三重补偿技术：

• 硬件选型优化：在选择电阻时，应优先考虑宽短型封装，如 0612/1225，避免使用 0805/1206 封装。材料方面，金属箔电阻（如 Susumu RG）是较好的选择，应避免使用厚膜或线绕电阻。在 PCB 布局上，采用开尔文连接方式，避免长引线直连。
• 并联降感技术：将多个相同的 CVR 并联，不仅可以降低总电阻，还能使总电感减小，从而实现 N 倍的带宽提升。
• RC 补偿滤波器（技术）：在 CVR 两端并联 RC 网络，通过引入极点来抵消 ESL 零点。设计时需要根据具体的目标 CVR 参数进行计算。以泰克的实测为例，对于一个 50mΩ、ESL 约为 4nH 的目标 CVR，通过合理计算添加 RC 滤波器后，带宽从 15MHz 提升到了 130MHz，过冲衰减超过 80%。
  
  图 5 中，上部模型通过迭代估计 ESL 值，直到在 AC 仿真中复现 15.1MHz 转折频率。下部模型中，一个 R = 50Ω 的 RC 滤波器被插入电路中，以抵消分流器中的寄生电感。
  

  

  图 6 中，上部蓝色迹线显示了未补偿分流器对 AC 分析的响应，转折频率为 15.3MHz。下部迹线显示了添加 RC 滤波器后同一电路的平坦得多的响应。
  

  

  图 7 中，上部（红色）迹线代表未补偿分流电阻器的频率响应。下部（黑色）迹线代表带 RC 补偿的组合网络的频率响应。
  

  

  图 8 展示了快速阶跃发生器边沿的测量，类似于图 5，但在分流器两端应用了低通 RC 滤波器。黄色迹线是使用连接到发生器输出的 1GHz 无源探头测量的。蓝色迹线来自测量安装了低通滤波器（R = 50Ω，C = 547pF）的 50mΩ 分流器两端电压的电流分流探头。

关键验证：如何实现精准测量

为了确保测量的准确性，需要选择合适的测量工具。矢量网络分析仪（VNA）可用于扫频测量 S21 参数，从而定位 -3dB 点。隔离电流探头方面，推荐泰克 TICP 系列，它具有 140dB 的共模抑制比（CMRR），能够有效消除共模干扰；1000V 的隔离电压，支持高压总线测量；1GHz 的带宽，保障了时域保真度。

在测试过程中，还需要注意一些陷阱。避免使用普通电压探头直接测量 CVR，因为引线电感会引入额外的误差。RC 滤波器需要贴近 CVR 焊接，距离应小于 5mm，否则走线电感会破坏补偿效果。当频率超过 200MHz 时，还需要考虑电容的寄生电感。

工程师实践指南

工程师在进行高频电流测量时，可以按照以下步骤操作：

1. 计算允许阻值：根据具体的应用需求，计算出满足要求的电阻值。例如，若 ADC 检测电压为 100mV，电流为 10A，则电阻应不小于 10mΩ。
2. 选择低 ESL 封装：优先选用 0612 封装的电阻，如 Susumu PRL 系列，其 ESL 小于 1nH，也可考虑四端子。
3. RC 补偿参数速算：根据目标 CVR 的参数，快速计算出合适的 RC 补偿参数。