Průvodce rozvržením desek plošných spojů Kelvin

Kelvinovo zapojení, nazývané také čtyřvodičové nebo čtyřsvorkové zapojení, odděluje cestu, kterou protéká proud prvkem, od cesty, která snímá napětí na něm, takže odpor vodičů a pájených spojů nezkresluje měření. Jedná se o standardní techniku ​​pro měření malých odporů a pro snímání proudu přes nízkohodnotový bočník. Tato příručka vysvětluje, co je Kelvinovo zapojení , proč běžné dvouvodičové měření selhává a jak přesně rozmístit snímací rezistor, vést snímací vodiče a vyrobit desku tak, aby přesnost přežila i ve výrobě.

Co je Kelvinovo (4vodičové) připojení

Myšlenkou je dát měřenému prvku dva nezávislé páry spojení, nikoli jeden sdílený pár.

Dráhy síly a smyslů

• Jedno sílu, Dráha proudu vede měřicí (nebo zatěžovací) proud do prvku a ven z něj. Jakýkoli odpor v této dráze způsobuje pokles napětí, ale k tomuto poklesu dochází mimo snímací bod.
• Jedno význam Cesta snímání se připojuje k prvku pro měření napětí na něm. Je vedena na vstup s vysokou impedancí, takže jím neprotéká téměř žádný proud, což znamená, že odpor snímacího vedení v podstatě nezpůsobuje žádnou chybu.

Protože snímací připojení odebírá napětí přímo na prvku a nevede žádný smysluplný proud, měření odráží samotný prvek, nikoli zapojení a spoje k němu vedoucí. To je celá výhoda této techniky.

Trochu historie

Metoda je pojmenována po lordu Kelvinovi, jehož Kelvinův můstek z 19. století byl vyvinut právě pro přesné měření velmi nízkých odporů. Stejný princip, oddělení síly a snímání, je základem moderních obvodů pro snímání proudu a přesné měření.

Proč selhává 2vodičové měření

Abychom pochopili, proč jsou potřeba čtyři vodiče, podívejme se, co je špatně u dvou vodičů. Při dvouvodičovém měření protéká proud a snímá napětí stejný pár připojení, takže měřené napětí zahrnuje úbytky napětí na vodičích a pájených spojích, nikoli pouze na prvku.

Pracovaný příklad

Předpokládejme, že pro měření proudu propustíte 50 A přes bočník 0.5 mΩ. Užitečný signál je:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Nyní se zamysleme nad parazitními jevy. Pájený spoj může snadno přidat 0.1–0.2 mΩ a spojovací vodiče přidávají ještě více. Ve dvouvodičovém zapojení jsou tyto odpory zapojeny sériově s bočníkem a měří se společně s ním. I několik desetin miliohmu odporu spoje a vodiče oproti bočníku 0.5 mΩ představuje chybu 20 % nebo více a tato chyba se mění s teplotou, jak se spoje a měď zahřívají. Tabulka tento kontrast jasně ukazuje.

Čtyřvodičové zapojení tuto chybu eliminuje, protože snímací dráha odebírá napětí na samotném bočníku a nevede žádný proud. Proto přesné snímání proudu v podstatě vždy používá Kelvinovo zapojení.

Kde se používají Kelvinovy ​​spoje

Všude, kde je třeba přesně změřit malý odpor nebo proud, se objevuje Kelvinovo spojení.

• Proudově snímatelné bočníky, klasický případ, měření zatěžovacího proudu pomocí nízkohodnotového rezistoru.
• Systémy řízení baterií, kde přesné sledování proudu a stavu nabití závisí na čistém snímání.
• Motorové pohony a měniče, snímání fázového nebo sběrnicového proudu pro řízení a ochranu.
• Zásoby energie, pro omezení proudu, regulaci a monitorování.
• Měření nízkého odporu obecně, jako je charakterizace konektorů, vinutí nebo kontaktů.

Tyto aplikace často zahrnují vysoké proudy a značné teplo, a proto je uspořádání i výroba tak důležitá a snímání proudu je opakujícím se tématem ve výrobě výkonové elektroniky.

Výběr bočníkového rezistoru

Před zahájením Kelvinova zapojení je nutné vybrat samotný shunt. Toto rozhodnutí je ovlivněno čtyřmi parametry.

Hodnota je otázkou vyvážení. Dříve uvedený příklad, 50 A při 0.5 mΩ s napětím 25 mV, je pro proudový zesilovač pohodlný bez velkého plýtvání energií. Vyberte nejnižší hodnotu, která stále poskytuje čistý signál, ověřte jmenovitý výkon s rezervou při špičkovém proudu a pro přesnost upřednostněte součástku s nízkým TCR. U konstrukcí s vysokým proudem může být teplo, které bočník rozptyluje, značné, takže to souvisí se stejným tepelným plánováním, které řídí rozhodnutí při výrobě výkonové elektroniky.

Rozvržení půdorysu snímacího rezistoru

Kelvinovo spojení se v rozvržení vytváří nebo ztrácí. Je nezbytné dodržovat několik specifických postupů.

Použijte vyhrazený prostor pro 4 pady

Spíše než obyčejný dvoupásmový rezistorový obvod použijte čtyřpásmový obvod: dva velké silové obvody vedoucí proud a dva malé snímací obvody odvádějící napětí. Mnoho přesných bočníků je specifikováno přesně s tímto Kelvinovým obvodem a výchozím bodem je dodržování doporučeného obvodu výrobce.

Klepněte na snímací spojení na okraji prvku

Připojte snímací kontakty přímo k tělu rezistoru, uvnitř silových spojů, takže snímané napětí je pouze napříč prvkem a nezahrnuje odpor silové kontakty a spoje. Nejdůležitější detail je, kde se snímací kontakt odpojuje: připojte jej vně dráhy síly a znovu zavedete právě tu chybu, kterou tato technika odstraňuje.

Udržujte přítlačné podložky symetrické

Vytvořte dvě silové podložky symetrické co do velikosti a měděného spojení. Asymetrie není jen elektrický problém, ale i problém výrobní: nestejná měď při přetavování odvádí teplo nerovnoměrně, takže jeden konec součásti se zahřívá a smáčí dříve než druhý. Tato nerovnováha může součástku zvednout nebo posunout, což je klasický způsob selhání způsobený tloušťkou materiálu (tombstoning). Symetrické, vyvážené silové podložky udržují oba konce rovnoměrně zahřívané a součástku správně umístěnou, což je oblast, kde se zkušenosti s montáží desek plošných spojů vyplatí.

Směrování snímacích vodičů

Se správným otiskem je třeba pečlivě vést snímací stopy, aby se zachovala přesnost.

Krátké, sladěné a mimo proud

• Veďte dva snímací vodiče jako těsně u sebe rozmístěný pár s odpovídající délkou, přičemž je považujeme za diferenciální signál, takže šum se rovnoměrně propojí s oběma a ruší se.
• Nechte je krátké a směrujte je mimo cestu silového proudu a od spínacích uzlů.
• Pošlete je na vysokoimpedanční vstup, zesilovač snímání proudu nebo ADC, takže protéká zanedbatelný proud a odpor snímacího vodiče nezpůsobuje žádný pokles.

Přední část měření

Snímací pár se obvykle připojuje k vyhrazenému zesilovači pro snímání proudu (běžnými příklady jsou zařízení jako INA219 nebo INA240) nebo přímo k přesnému vstupu ADC. Přidání malých, přizpůsobených sériových rezistorů (řádově od několika až deseti ohmů) do každého snímacího vodiče zajišťuje filtrování a ochranu vstupu bez narušení vyvážení páru. Protože se jedná o přesné analogové směrování v blízkosti vysokých proudů, platí i zde stejná disciplína používaná při vysokorychlostních a impedančně řízených pracích – pečlivé zpětné cesty a řízení trasy.

Efekty druhého řádu

Jakmile jsou základy správné, několik jemnějších efektů nastaví limit přesnosti.

Tepelné EMF (termoelektrické napětí)

Spoje mezi různými kovy, pájkou, mědí a rezistorovým prvkem, generují malá napětí, když mezi nimi existuje teplotní gradient. Na úrovni mikrovoltů jsou tyto termoelektrické elektromagnetické síly důležité pro nejpřesnější měření. Udržování symetrických snímacích spojů na podobných teplotách a vyhýbání se horkým místům v blízkosti snímacích vývodů minimalizuje tento efekt.

Kalibrace a drift

Pro dosažení nejvyšší přesnosti kalibrujte hotovou sestavu a zohledněte teplotní koeficient bočníku. Dobré uspořádání odstraňuje hrubé chyby; kalibrace se stará o zbytkové chyby a řízení tepla udržuje stabilní vlastní odpor bočníku, což někdy vyžaduje substrát vhodný pro sestavu s kovovým jádrem u vysoce výkonných konstrukcí.

Výrobní úvahy

Kelvinův návrh, který vypadá v CADu perfektně, stále závisí na tom, jak je zkonstruován. Na výsledek má přímý vliv několik výrobních faktorů.

• Odolnost a konzistence pájených spojů. Přestože snímací dráha obchází silové spoje, konzistentní silové spoje s nízkým odporem udržují dráhu proudu stabilní; řízená montáž tuto konzistenci zajišťuje.
• Symetrie stopy v praxi. Symetrické silové podložky musí být vyrobeny a pájeny symetricky, aby se zabránilo vzniku náhrobků a posunu umístění, což je funkce návrhu šablony a profilu přetavení.
• Kontrola stop a mědi. Přesná a opakovatelná geometrie mědi udržuje dráhu síly a spárovaný snímací pár v souladu s návrhem, což závisí na podkladovém materiálu. Výroba DPS kvalitní.
• Test a ověření. Ověření měření oproti známé referenci potvrzuje jak návrh, tak i konstrukci a konzistentní výsledky ve velkém měřítku pocházejí z řízení procesů v velkoobjemová montáž PCB.

Včasné odhalení problémů s rozvržením versus výrobou je přesně to, k čemu slouží kontrola DFM , která ověří, zda je možné vytvořit rozměrovou plochu shuntu, vyvážení kontaktních plošek a směrování snímání ještě předtím, než se zavážete k provedení.

Čtyřvodičové měření má smysl pouze tehdy, pokud si přípravek zachovává oddělená silová a snímací připojení. Funkční test na úrovni desky by měl definovat zatížení, body sond, limity měření a požadavky na kalibraci, spíše než se spoléhat pouze na kontrolu rozvržení.

Často kladené dotazy

Co je to Kelvinovo spojení?

Čtyřvodičové (čtyřsvorkové) připojení, které odděluje cestu vedoucí proud (sila) od cesty snímání napětí (snímání). Protože snímací cesta odebírá napětí z prvku a nevede žádný proud, odpor vodičů a pájeného spoje nenarušuje měření, což umožňuje přesné snímání nízkého odporu a proudu.

Proč nemůžu použít normální dvouvodičové připojení?

Ve dvouvodičovém schématu stejná spojení vedou proud a snímají napětí, takže odečet zahrnuje úbytky na vodičích a pájených spojích. Proti bočníku na úrovni miliohmů může několik desetin miliohmu odporu spoje způsobit chybu 20 % nebo více a tento drift se mění s teplotou.

Kde mám připojit snímací vodiče na shuntu?

Přímo u těla rezistoru, uvnitř silových spojů, takže snímané napětí je pouze napříč prvkem. Odbočením vně silové dráhy se znovu zavede odpor spoje a stopy, který se snažíte vyloučit, čímž se maří účel Kelvinova spoje.

Proč musí být silové podložky shuntu symetrické?

Nerovnoměrné množství mědi na obou silových ploškách odvádí teplo během přetavování nerovnoměrně, takže jeden konec se smáčí dříve než druhý a součást se může zvednout nebo posunout, což může vést k deformaci. Symetrické, vyvážené silové plošky rovnoměrně zahřívají oba konce, čímž zajišťují správné umístění a spolehlivé spojení.

Jak mám směrovat dvě snímací stopy?

Jako krátký, těsně rozmístěný, délkově přizpůsobený diferenciální pár, držený dál od cesty silového proudu a spínacích uzlů, zakončený na vstupu s vysokou impedancí, jako je zesilovač snímání proudu nebo ADC. Malé přizpůsobené sériové rezistory přidávají filtrování a ochranu bez narušení vyvážení páru.

Jaké výrobní faktory ovlivňují přesnost snímání Kelvinových stupňů?

Konzistentní silové spoje s nízkým odporem; symetrické pájení silových plošek pro zamezení vzniku tombstoningu; přesná a opakovatelná geometrie mědi pro silovou dráhu a snímací pár; a ověření oproti referenci. Kontrola DFM před výrobou potvrzuje, že je možné sestavit půdorys a trasu.

Jak zvolím hodnotu bočníkového odporu?

Vyberte nejnižší hodnotu, při které váš zesilovač nebo ADC stále dává signál, který dokáže čistě odečíst, což minimalizuje plýtvání energií a napěťovou zátěž. Ověřte, zda jmenovitý výkon zvládá I²R při špičkovém proudu s rezervou, a upřednostněte součástku s nízkým teplotním koeficientem (TCR), aby odečet zůstal přesný i při zahřívání bočníku.