Kelvin Connection PCB-Layout-Anleitung

Eine Kelvin-Schaltung, auch Vierleiter- oder Vierpol-Schaltung genannt, trennt den Strompfad durch ein Bauelement vom Spannungsmesspfad. Dadurch wird verhindert, dass der Widerstand der Leitungen und Lötstellen die Messung verfälscht. Sie ist die Standardmethode zur Messung kleiner Widerstände und zur Strommessung an einem Shunt mit niedrigem Wert. Diese Anleitung erklärt, was eine Kelvin-Schaltung ist. Kelvin-Anschluss Es geht darum, warum eine herkömmliche Zweidrahtmessung fehlschlägt und wie man genau die Messwiderstandsfläche gestaltet, die Messleitungen verlegt und die Platine fertigt, damit die Genauigkeit auch in der Produktion erhalten bleibt.

Was ist eine Kelvin-(4-Draht-)Verbindung?

Die Idee besteht darin, dem zu messenden Element zwei unabhängige Verbindungspaare anstelle eines gemeinsamen Paares zu geben.

Kraft- und Sinnespfade

• Das Stärke Der Stromkreis führt den Messstrom (oder Laststrom) in das Element hinein und wieder hinaus. Jeder Widerstand in diesem Stromkreis verursacht einen Spannungsabfall, der jedoch außerhalb des Messpunkts auftritt.
• Das Sinn Der Messpfad ist mit dem Element verbunden, um die Spannung daran zu messen. Er ist an einen hochohmigen Eingang angeschlossen, sodass nahezu kein Strom fließt, wodurch der Widerstand der Messleitung praktisch keinen Messfehler verursacht.

Da die Messverbindung die Spannung direkt am Bauelement abgreift und keinen nennenswerten Strom führt, spiegelt die Messung das Bauelement selbst wider, nicht die Verdrahtung und die Verbindungen, die zu ihm führen. Genau darin liegt der Vorteil dieser Technik.

Ein wenig Geschichte

Das Verfahren ist nach Lord Kelvin benannt, dessen Kelvin-Brücke im 19. Jahrhundert speziell zur präzisen Messung sehr niedriger Widerstände entwickelt wurde. Dasselbe Prinzip, die Trennung von Kraft und Messung, liegt modernen Strommess- und Präzisionsmessschaltungen bis heute zugrunde.

Warum eine 2-Draht-Messung fehlschlägt

Um zu verstehen, warum vier Drähte benötigt werden, betrachten wir die Probleme bei einer Messung mit nur zwei Drähten. Bei einer Zwei-Draht-Messung führt dasselbe Anschlusspaar den Strom und misst die Spannung. Daher beinhaltet die gemessene Spannung die Spannungsabfälle entlang der Leitungen und an den Lötstellen, nicht nur die Spannung am Heizelement.

Ein ausgearbeitetes Beispiel

Angenommen, Sie leiten 50 A durch einen 0.5 mΩ Shunt, um den Strom zu messen. Das Nutzsignal ist:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Betrachten wir nun die parasitären Effekte. Eine Lötstelle kann leicht 0.1–0.2 mΩ beitragen, die Leiterbahnen noch mehr. In einer Zweidrahtschaltung liegen diese Widerstände in Reihe mit dem Shunt und werden zusammen mit diesem gemessen. Selbst wenige Zehntel Milliohm an Verbindungs- und Leiterbahnwiderstand führen bei einem 0.5 mΩ Shunt zu einem Fehler von 20 % oder mehr, der sich mit der Temperatur ändert, da sich die Lötstellen und das Kupfer erwärmen. Die Tabelle verdeutlicht diesen Unterschied.

Die Vierdraht-Anschlusstechnik beseitigt diesen Fehler, da der Messpfad die Spannung direkt am Shunt abgreift und keinen Strom führt. Daher wird für präzise Strommessungen praktisch immer eine Kelvin-Anschlusstechnik verwendet.

Wo Kelvin-Anschlüsse verwendet werden

Überall dort, wo ein kleiner Widerstand oder ein Strom genau gemessen werden muss, kommt der Kelvin-Zusammenhang zum Einsatz.

• StrommessshuntsDer klassische Fall ist die Messung des Laststroms über einen Widerstand mit niedrigem Wert.
• Batteriemanagementsysteme, wobei eine genaue Strom- und Ladezustandsverfolgung von einer sauberen Sensorik abhängt.
• Motorantriebe und Frequenzumrichter, Erfassung von Phasen- oder Busstrom zur Steuerung und zum Schutz.
• Netzteile, für die aktuelle Begrenzung, Regulierung und Überwachung.
• Messung mit niedrigem Widerstand im Allgemeinen, beispielsweise zur Charakterisierung von Steckverbindern, Wicklungen oder Kontakten.

Diese Anwendungen beinhalten oft hohe Ströme und erhebliche Wärmeentwicklung, weshalb sowohl das Layout als auch die Fertigung von so großer Bedeutung sind und die Strommessung ein wiederkehrendes Thema darstellt. Fertigung von Leistungselektronik.

Auswahl des Shunt-Widerstands

Bevor die Kelvin-Verbindung hergestellt werden kann, muss der Shunt selbst ausgewählt werden. Vier Parameter sind für diese Entscheidung ausschlaggebend.

Der richtige Wert ist eine Abwägungssache. Das zuvor berechnete Beispiel mit 50 A durch 0.5 mΩ und 25 mV ist für einen Strommessverstärker geeignet, ohne viel Leistung zu verschwenden. Wählen Sie den niedrigsten Wert, der noch ein sauberes Signal liefert, überprüfen Sie die Nennleistung mit ausreichender Reserve bei Spitzenstrom und bevorzugen Sie ein Bauteil mit niedrigem Temperaturkoeffizienten (TCR) für höhere Genauigkeit. Bei Hochstromanwendungen kann die Wärmeabgabe eines Shunts erheblich sein, daher ist die thermische Planung, die auch die Fertigungsentscheidungen in der Leistungselektronik beeinflusst, von großer Bedeutung.

Absteckung des Sensorwiderstands

Die Kelvin-Beziehung wird im Layout hergestellt oder geht verloren. Einige spezifische Vorgehensweisen sind unerlässlich.

Verwenden Sie eine dedizierte 4-Pad-Grundfläche

Anstelle einer einfachen 2-Pad-Widerstandsfläche sollte eine 4-Pad-Anordnung verwendet werden: zwei große Stromanschlüsse und zwei kleine Spannungsanschlüsse. Viele Präzisionsshunts sind genau mit dieser Kelvin-Anordnung spezifiziert; die vom Hersteller empfohlene Anordnung ist der Ausgangspunkt.

Tippe auf die Sensorverbindung am Rand des Elements.

Schließen Sie die Sensorkontakte direkt am Widerstandskörper an. innerhalb Die Kraftanschlüsse sind so ausgelegt, dass die gemessene Spannung nur am Element anliegt und den Widerstand der Kraftmessplatte und der Verbindungsstelle ausschließt. Der wichtigste Punkt ist die Position der Messabgriffe: Liegt man außerhalb des Kraftpfades an, führt man genau den Fehler wieder ein, den das Verfahren eigentlich beseitigen soll.

Die Kraftmessplatten müssen symmetrisch angeordnet sein.

Die beiden Andruckplatten müssen hinsichtlich Größe und Kupferanschluss symmetrisch sein. Asymmetrie ist nicht nur ein elektrisches, sondern auch ein fertigungstechnisches Problem: Ungleichmäßiger Kupferanschluss führt beim Reflow-Löten zu ungleichmäßiger Wärmeverteilung, sodass ein Ende des Bauteils vor dem anderen erhitzt und benetzt wird. Dieses Ungleichgewicht kann das Bauteil anheben oder verschieben – der klassische „Tombstoning“-Fehler. Symmetrische, ausbalancierte Andruckplatten gewährleisten eine gleichmäßige Erwärmung beider Enden und die korrekte Positionierung des Bauteils. Hierbei zahlt sich Montageerfahrung aus. Leiterplattenmontage.

Verlegung der Messleitungen

Bei korrekter Anordnung der Leiterbahnen ist eine sorgfältige Verlegung der Messleitungen erforderlich, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Kurz, passend und abseits des Stroms

• Verlegen Sie die beiden Messleitungen als eng beieinander liegendes, längengleiches Paar.Sie werden als Differenzsignal behandelt, sodass das Rauschen in beide gleichermaßen eingekoppelt wird und sich gegenseitig aufhebt.
• Halte sie kurz und leiten Sie sie weg vom Hochstrompfad und von Schaltknoten.
• Leiten Sie sie an einen hochohmigen Eingang weiter., ein Strommessverstärker oder ein ADC, so dass nur ein vernachlässigbarer Strom fließt und der Widerstand des Messdrahts keinen Spannungsabfall verursacht.

Die Messfront

Das Messpaar wird typischerweise an einen dedizierten Strommessverstärker (gängige Beispiele sind der INA219 oder INA240) oder direkt an einen präzisen ADC-Eingang angeschlossen. Durch Hinzufügen kleiner, aufeinander abgestimmter Serienwiderstände (im Bereich von wenigen bis zehn Ohm) in jeder Messleitung wird eine Eingangsfilterung und ein Schutz erreicht, ohne das Paar zu desymmetrischisieren. Da es sich um präzise analoge Signalverarbeitung in der Nähe hoher Ströme handelt, ist die gleiche Sorgfalt geboten wie bei … Hochgeschwindigkeits- und ImpedanzkontrollarbeitenSorgfältige Rückführungspfade und Trace-Kontrolle sind auch hier wichtig.

Effekte zweiter Ordnung

Sind die Grundlagen erst einmal gegeben, setzen einige subtilere Faktoren der Genauigkeit die Grenzen.

Thermische EMK (thermoelektrische Spannungen)

Verbindungen zwischen unterschiedlichen Metallen – Lötstellen, Kupfer, Widerstandselemente – erzeugen bei einem Temperaturgradienten kleine Spannungen. Im Mikrovoltbereich sind diese thermoelektrischen Spannungen für hochpräzise Messungen relevant. Durch symmetrische und gleichmäßig temperierte Messübergänge sowie die Vermeidung von Hotspots in der Nähe der Messanschlüsse lässt sich dieser Effekt minimieren.

Kalibrierung und Drift

Für höchste Genauigkeit kalibrieren Sie die fertige Baugruppe und berücksichtigen Sie den Temperaturkoeffizienten des Shunts. Ein gutes Layout beseitigt grobe Fehler; die Kalibrierung korrigiert die verbleibenden, und eine effektive Wärmeableitung hält den Eigenwiderstand des Shunts stabil, wofür mitunter ein geeignetes Substrat erforderlich ist. Metallkernbaugruppe in Hochleistungsdesigns.

Überlegungen zur Herstellung

Ein Kelvin-Design, das in der CAD-Zeichnung perfekt aussieht, hängt dennoch von der tatsächlichen Fertigung ab. Mehrere Fertigungsfaktoren beeinflussen das Ergebnis direkt.

• Lötstellenbeständigkeit und -konsistenz. Obwohl der Messpfad die Kraftgelenke umgeht, sorgen gleichbleibende, niederohmige Kraftgelenke für einen stabilen Strompfad; eine kontrollierte Montage gewährleistet diese Gleichmäßigkeit.
• Fußabdrucksymmetrie in der Praxis. Um ein Verrutschen der Kontakte und eine Verschiebung der Platzierung zu vermeiden, müssen die symmetrischen Kraftkontakte symmetrisch aufgebaut und verlötet werden. Dies ist eine Funktion des Schablonendesigns und des Reflow-Profils.
• Spuren- und Kupferkontrolle. Eine präzise und reproduzierbare Kupfergeometrie gewährleistet, dass der Kraftpfad und das zugehörige Sensorpaar wie vorgesehen funktionieren, was von den zugrunde liegenden Eigenschaften abhängt. Leiterplattenherstellung Qualität.
• Test und Verifizierung. Die Überprüfung der Messung anhand einer bekannten Referenz bestätigt sowohl die Konstruktion als auch die Fertigung, und konsistente Ergebnisse im großen Maßstab werden durch die Prozesskontrolle erzielt. Leiterplattenbestückung in großen Stückzahlen.

Probleme im Zusammenhang mit Layout und Fertigung frühzeitig zu erkennen, ist genau das, was ein DFM-Test dient dazu, vor der endgültigen Festlegung zu bestätigen, dass die Shunt-Grundfläche, die Pad-Balance und die Sensor-Routing-Anforderungen realisierbar sind.

Eine Kelvin-Verbindung ist konzeptionell einfach, da sie Kraft und Messgröße trennt. Ihre Genauigkeit erreicht sie jedoch nur, wenn die Bauform, der Messanschluss, die Leiterbahnführung und die Fertigung optimal aufeinander abgestimmt sind. Stimmen diese Faktoren, lassen sich Milliohm und hohe Ströme zuverlässig messen. Weiterlesen Über Highleap Electronics und unsere Kompetenz in der Präzisions- und Hochleistungsmontage.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine Kelvin-Verbindung?

Eine Vierdraht- (Vierpol-)Verbindung trennt den stromführenden (Kraft-)Pfad vom Spannungsmesspfad. Da der Messpfad die Spannung am Element abgreift und keinen Strom führt, werden die Messwerte durch den Verdrahtungs- und Lötstellenwiderstand nicht verfälscht, was eine präzise Messung von niedrigen Widerständen und Strömen ermöglicht.

Warum kann ich nicht einfach eine normale Zweidrahtverbindung verwenden?

Bei einer Zweidrahtschaltung führen dieselben Anschlüsse Strom und messen die Spannung, sodass die Messung auch die Spannungsabfälle an den Leiterbahnen und Lötstellen umfasst. Gegenüber einem Shunt im Milliohm-Bereich können bereits wenige Zehntel Milliohm Widerstand an den Lötstellen einen Fehler von 20 % oder mehr verursachen, der zudem temperaturabhängig ist.

Wo klemme ich die Messleitungen an einem Shunt an?

Die Messung erfolgt direkt am Widerstandskörper, innerhalb der Kraftanschlüsse, sodass die Spannung ausschließlich am Element anliegt. Eine Ableitung außerhalb des Kraftpfads führt den Verbindungs- und Leiterbahnwiderstand, den man eigentlich eliminieren möchte, wieder ein und widerspricht somit dem Zweck der Kelvin-Messung.

Warum müssen die Kraftplatten des Shunts symmetrisch sein?

Ungleichmäßig verteiltes Kupfer auf den beiden Kontaktflächen führt beim Reflow-Löten zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung. Dadurch wird ein Ende vor dem anderen benetzt, und das Bauteil kann sich ablösen oder verschieben (Tombstoning). Symmetrische, gleichmäßig verteilte Kontaktflächen erhitzen beide Enden gleichmäßig, gewährleisten so eine korrekte Positionierung und eine zuverlässige Verbindung.

Wie soll ich die beiden Messleitungen verlegen?

Als kurzes, eng beieinander liegendes, längenangepasstes Differenzverstärkerpaar, das von Hochstrompfaden und Schaltknoten ferngehalten wird, wird es an einem hochohmigen Eingang wie einem Strommessverstärker oder einem AD-Wandler abgeschlossen. Kleine, aufeinander abgestimmte Serienwiderstände dienen der Filterung und dem Schutz, ohne das Paar zu desymmetrischisieren.

Welche Fertigungsfaktoren beeinflussen die Genauigkeit der Kelvin-Messung?

Gleichmäßige, niederohmige Kraftverbindungen; symmetrisches Löten der Kraftkontaktflächen zur Vermeidung von Tombstoning; präzise, ​​reproduzierbare Kupfergeometrie für den Kraftpfad und das Sensorpaar; und Überprüfung anhand einer Referenz. Eine DFM-Prüfung vor der Produktion bestätigt die Realisierbarkeit von Footprint und Routing.

Wie wähle ich den Wert für den Shuntwiderstand?

Wählen Sie den niedrigsten Wert, der noch ein sauberes Signal für Ihren Verstärker oder AD-Wandler liefert, um Leistungsverluste und Spannungsbelastung zu minimieren. Stellen Sie sicher, dass die Nennleistung den Spitzenstrom I²R mit ausreichender Reserve verkraftet, und bevorzugen Sie ein Bauteil mit niedrigem Temperaturkoeffizienten (TCR), damit die Messwerte auch bei Erwärmung des Shunts präzise bleiben.