Guía de diseño de PCB de Kelvin Connection

Una conexión Kelvin, también llamada conexión de cuatro hilos o de cuatro terminales, separa el camino que transporta la corriente a través de un elemento del camino que detecta la tensión en sus terminales, de modo que la resistencia del cableado y las soldaduras no afecten la medición. Es la técnica estándar para medir resistencias pequeñas y para detectar la corriente en una derivación de bajo valor. Esta guía explica qué es una conexión Kelvin , por qué falla una medición convencional de dos hilos y cómo diseñar la huella de la resistencia de detección, enrutar las líneas de detección y fabricar la placa para que la precisión se mantenga durante la producción.

Qué es una conexión Kelvin (de 4 cables)

La idea es dotar al elemento que se está midiendo de dos pares de conexiones independientes en lugar de un único par compartido.

Caminos de fuerza y ​​sentido

• El forzar El circuito conduce la corriente de medición (o de carga) hacia dentro y hacia fuera del elemento. Cualquier resistencia en este circuito provoca una caída de tensión, pero dicha caída se produce fuera del punto de detección.
• El sentido El circuito se conecta al elemento para medir la tensión entre sus terminales. Está dirigido a una entrada de alta impedancia, de modo que prácticamente no circula corriente por ella, lo que significa que la resistencia del cableado de detección prácticamente no produce errores.

Dado que la conexión de detección toma la tensión directamente del elemento y no transporta corriente significativa, la medición refleja el elemento en sí, no el cableado ni las conexiones que llegan a él. Esa es la principal ventaja de esta técnica.

Un poco de historia

El método recibe su nombre de Lord Kelvin, cuyo puente de Kelvin del siglo XIX fue desarrollado precisamente para medir con precisión resistencias muy bajas. El mismo principio, que separa la fuerza de la sensibilidad, es la base de los circuitos modernos de detección de corriente y medición de precisión.

¿Por qué falla una medición de 2 cables?

Para entender por qué se necesitan cuatro cables, veamos qué falla con dos. En una medición con dos cables, el mismo par de conexiones transporta la corriente y detecta la tensión, por lo que la tensión medida incluye las caídas de tensión en el cableado y las soldaduras, no solo en el elemento.

Un ejemplo práctico

Supongamos que se hace pasar una corriente de 50 A a través de una resistencia de derivación de 0.5 mΩ para medirla. La señal útil es:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Ahora bien, consideremos las resistencias parásitas. Una soldadura puede añadir fácilmente entre 0.1 y 0.2 mΩ, y las pistas de conexión añaden aún más. En un esquema de dos hilos, estas resistencias se encuentran en serie con la resistencia de derivación y se miden junto con ella. Incluso unas pocas décimas de miliohm de resistencia en la soldadura y las pistas, frente a una resistencia de derivación de 0.5 mΩ, introduce un error del 20 % o más, que varía con la temperatura a medida que las soldaduras y el cobre se calientan. La tabla ilustra claramente esta diferencia.

La conexión de cuatro hilos elimina este error porque la ruta de detección toma la tensión en la propia derivación y no transporta corriente. Por eso, la detección de corriente de precisión casi siempre utiliza una conexión Kelvin.

Dónde se utilizan las conexiones Kelvin

Siempre que sea necesario medir con precisión una pequeña resistencia o una corriente, aparece la relación de Kelvin.

• Derivadores de detección de corriente, el caso clásico, medir la corriente de carga a través de una resistencia de bajo valor.
• Sistemas de gestión de bateríasdonde el seguimiento preciso de la corriente y el estado de carga depende de una detección precisa.
• Variadores de velocidad e inversores, detección de fase o corriente de bus para control y protección.
• Fuentes de alimentación, para la limitación, regulación y monitoreo actuales.
• Medición de baja resistencia En general, como por ejemplo la caracterización de conectores, bobinados o contactos.

Estas aplicaciones suelen implicar altas corrientes y una generación de calor considerable, por lo que tanto el diseño como la fabricación son de suma importancia, y por eso la detección de corriente es un tema recurrente en la fabricación de electrónica de potencia.

Cómo elegir la resistencia de derivación

Antes de diseñar la conexión Kelvin, hay que elegir la propia derivación. Cuatro parámetros determinan esa decisión.

El valor es un equilibrio delicado. El ejemplo anterior, con 50 A a través de 0.5 mΩ que produce 25 mV, es adecuado para un amplificador de detección de corriente sin desperdiciar mucha potencia. Elija el valor más bajo que aún proporcione una señal limpia, confirme la potencia nominal con margen en la corriente máxima y prefiera un componente con bajo coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) para mayor precisión. En diseños de alta corriente, el calor que disipa una resistencia en derivación puede ser significativo, por lo que se relaciona directamente con la planificación térmica que guía las decisiones de fabricación de la electrónica de potencia.

Trazando la huella del sensor-resistor

La conexión Kelvin se establece o se pierde en el diseño. Algunas prácticas específicas son esenciales.

Utilice una huella dedicada de 4 almohadillas

En lugar de una configuración de resistencia simple de dos contactos, utilice una de cuatro contactos: dos contactos grandes para la corriente y dos pequeños para la medición de la tensión. Muchos shunts de precisión se especifican con esta configuración Kelvin, y seguir el patrón recomendado por el fabricante es el punto de partida.

Pulsa la conexión sensorial en el borde del elemento.

Conecte los electrodos de detección directamente al cuerpo de la resistencia, dentro de las conexiones de fuerza, de modo que la tensión detectada se aplique únicamente al elemento y excluya la resistencia de la almohadilla de fuerza y ​​la unión. La ubicación de los electrodos de detección es el detalle más importante: si se conectan fuera de la trayectoria de la fuerza, se reintroduce el mismo error que la técnica elimina.

Mantén las almohadillas de fuerza simétricas.

Asegúrese de que las dos almohadillas de presión sean simétricas en tamaño y conexión de cobre. La asimetría no solo es un problema eléctrico, sino también de fabricación: el cobre desigual absorbe el calor de forma desigual durante el reflujo, por lo que un extremo de la pieza se calienta y humedece antes que el otro. Este desequilibrio puede levantar o desplazar el componente, el clásico fallo de "lápida". Las almohadillas de presión simétricas y equilibradas mantienen ambos extremos calentándose uniformemente y la pieza colocada correctamente, lo que resulta fundamental para el ensamblaje de PCB.

Enrutamiento de las líneas de detección

Si la huella es la correcta, las trazas de detección requieren un enrutamiento cuidadoso para preservar la precisión.

Corto, igualado y alejado de la actualidad

• Enruta las dos líneas de sentido como un par muy espaciado y de igual longitud., tratándolas como una señal diferencial, de modo que el ruido se acopla a ambas por igual y se cancela.
• Mantenlos cortos y desviarlos de la trayectoria de alta corriente y de los nodos de conmutación.
• Envíelos a una entrada de alta impedancia., un amplificador de detección de corriente o un ADC, por lo que los flujos de corriente son insignificantes y la resistencia del cable de detección no provoca ninguna caída.

El frontal de medición

El par de detección se conecta normalmente a un amplificador de detección de corriente dedicado (dispositivos como el INA219 o el INA240 son ejemplos comunes) o directamente a la entrada de un convertidor analógico-digital (ADC) de precisión. La adición de pequeñas resistencias en serie emparejadas (del orden de unos pocos a diez ohmios) en cada línea de detección proporciona filtrado y protección de entrada sin desequilibrar el par. Dado que se trata de un enrutamiento analógico de precisión cerca de altas corrientes, se aplica la misma disciplina utilizada en trabajos de alta velocidad e impedancia controlada (rutas de retorno cuidadosas y control de trazas).

Efectos de segundo orden

Una vez que se dominan los aspectos básicos, algunos efectos más sutiles marcan el límite de la precisión.

Fuerza electromotriz térmica (voltajes termoeléctricos)

Las uniones entre metales diferentes (soldadura, cobre, elemento resistivo) generan pequeñas tensiones cuando existe un gradiente de temperatura entre ellas. A nivel de microvoltios, estas fuerzas electromotrices termoeléctricas son importantes para obtener mediciones de máxima precisión. Mantener las uniones de detección simétricas y a temperaturas similares, y evitar puntos calientes cerca de las tomas de detección, minimiza este efecto.

Calibración y deriva

Para obtener la máxima precisión, calibre el conjunto final y tenga en cuenta el coeficiente de temperatura de la derivación. Un buen diseño elimina los errores groseros; la calibración corrige los errores residuales, y la gestión del calor mantiene estable la resistencia propia de la derivación, lo que a veces requiere un sustrato adecuado para el ensamblaje con núcleo metálico en diseños de alta potencia.

Consideraciones de fabricación

Un diseño de Kelvin que se ve perfecto en CAD aún depende de cómo se construye. Varios factores de fabricación afectan directamente el resultado.

• Resistencia y uniformidad de las uniones soldadas. Aunque la trayectoria de detección evita las articulaciones de fuerza, las articulaciones de fuerza consistentes y de baja resistencia mantienen estable la trayectoria actual; el ensamblaje controlado proporciona esa consistencia.
• Simetría de la huella en la práctica. Las almohadillas de fuerza simétricas deben construirse y soldarse simétricamente para evitar el efecto de lápida y el desplazamiento de la posición, que depende del diseño de la plantilla y del perfil de reflujo.
• Control de trazas y cobre. Una geometría de cobre precisa y repetible mantiene la trayectoria de la fuerza y ​​el par sensor correspondiente comportándose según lo previsto, lo cual depende de la geometría subyacente. Fabricación de PCB calidad.
• Prueba y verificación. La verificación de la medición con respecto a una referencia conocida confirma tanto el diseño como la construcción, y los resultados consistentes a escala provienen del control de procesos en montaje de PCB de alto volumen.

Detectar a tiempo los problemas de diseño frente a la fabricación es precisamente para lo que sirve una revisión DFM , que confirma que la huella del shunt, el equilibrio de las almohadillas y el enrutamiento de los sensores son factibles antes de tomar una decisión final.

Una conexión Kelvin es conceptualmente simple: separa la fuerza de la detección. Sin embargo, su precisión solo se logra cuando la huella, la toma de detección, el enrutamiento y la fabricación funcionan en conjunto. Si se optimizan, se pueden medir miliohmios y altas corrientes con total confianza. Para obtener más información sobre Highleap Electronics y nuestras capacidades de ensamblaje de alta precisión y potencia, visite nuestro sitio web.

Preguntas frecuentes

¿Qué es una conexión Kelvin?

Una conexión de cuatro cables (cuatro terminales) separa la trayectoria de corriente (fuerza) de la trayectoria de detección de voltaje (sensor). Dado que la trayectoria de detección toma el voltaje en el elemento y no transporta corriente, la resistencia del cableado y de la soldadura no afecta la medición, lo que permite una detección precisa de baja resistencia y corriente.

¿Por qué no puedo usar una conexión normal de dos cables?

En un esquema de dos hilos, las mismas conexiones transportan corriente y detectan voltaje, por lo que la lectura incluye las caídas de tensión en las pistas y las uniones de soldadura. Frente a una resistencia de derivación de nivel de miliohmios, unas pocas décimas de miliohmio de resistencia en la unión pueden causar un error del 20 % o más, y este varía con la temperatura.

¿Dónde conecto las líneas de detección en una derivación?

Justo en el cuerpo de la resistencia, dentro de las conexiones de fuerza, de modo que la tensión detectada se aplique únicamente al elemento. Si se realiza la conexión fuera del circuito de fuerza, se reintroduce la resistencia de la unión y de la pista que se intenta eliminar, lo que anula el propósito de la conexión Kelvin.

¿Por qué deben ser simétricas las almohadillas de fuerza de la derivación?

La distribución desigual del cobre en las dos almohadillas de presión provoca una disipación de calor irregular durante el proceso de reflujo, lo que hace que un extremo se humedezca antes que el otro y la pieza pueda levantarse o desplazarse, produciendo el efecto de "lápida". Las almohadillas de presión simétricas y equilibradas calientan ambos extremos de manera uniforme, lo que garantiza una correcta colocación y una conexión fiable.

¿Cómo debo enrutar las dos trazas de detección?

Como un par diferencial corto, muy próximo y de longitud equivalente, alejado de la trayectoria de alta corriente y de los nodos de conmutación, que termina en una entrada de alta impedancia, como un amplificador de detección de corriente o un convertidor analógico-digital (ADC). Pequeñas resistencias en serie, también equivalentes, proporcionan filtrado y protección sin desequilibrar el par.

¿Qué factores de fabricación afectan a la precisión de la medición de la temperatura en grados Kelvin?

Uniones de fuerza consistentes y de baja resistencia; soldadura simétrica de las almohadillas de fuerza para evitar el efecto de lápida; geometría de cobre precisa y repetible para la trayectoria de fuerza y ​​el par sensor; y verificación con respecto a una referencia. Una revisión DFM previa a la producción confirma que la huella y el enrutamiento son viables para la fabricación.

¿Cómo elijo el valor de la resistencia de derivación?

Seleccione el valor más bajo que aún proporcione una señal que su amplificador o convertidor analógico-digital (ADC) pueda leer correctamente, lo que minimiza el desperdicio de energía y la sobrecarga de voltaje. Confirme que la potencia nominal soporta la corriente I²R a la corriente máxima con margen, y prefiera un componente con un coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) bajo para que la lectura se mantenga precisa a medida que se calienta la resistencia de derivación.