Guide de conception de circuits imprimés Kelvin Connection

Une connexion Kelvin, également appelée connexion à quatre fils ou à quatre bornes, sépare le chemin de conduction du courant traversant un élément de celui servant à mesurer la tension à ses bornes. Ainsi, la résistance des câbles et des soudures n'altère pas la mesure. C'est la technique standard pour mesurer les faibles résistances et le courant traversant un shunt de faible valeur. Ce guide explique le principe d'une connexion Kelvin , les raisons de l'échec d'une mesure classique à deux fils, et la méthode précise pour concevoir l'empreinte de la résistance de mesure, acheminer les pistes de mesure et fabriquer le circuit imprimé afin de garantir la précision des mesures en production.

Qu'est-ce qu'une connexion Kelvin (à 4 fils) ?

L'idée est de doter l'élément mesuré de deux paires de connexions indépendantes plutôt que d'une seule paire partagée.

Voies de force et de perception

• Le forcer Le chemin conducteur transporte le courant de mesure (ou de charge) vers et depuis l'élément. Toute résistance présente dans ce chemin provoque une chute de tension, mais cette chute se produit en dehors du point de mesure.
• Le sens Le circuit de mesure de la tension aux bornes de l'élément est relié à ce dernier. Il est connecté à une entrée à haute impédance afin de minimiser le courant qui y circule, ce qui rend la résistance du circuit de mesure quasiment inoffensive.

Comme la connexion de détection prélève la tension directement à la surface de l'élément et ne transporte aucun courant significatif, la mesure reflète le fonctionnement de l'élément lui-même, et non celui du câblage et des connexions qui y mènent. C'est là tout l'intérêt de cette technique.

Un peu d'histoire

Cette méthode tire son nom de Lord Kelvin, dont le pont de Kelvin, mis au point au XIXe siècle, permettait de mesurer avec précision de très faibles résistances. Ce même principe, qui consiste à dissocier la force et le signal, est à la base des circuits modernes de détection de courant et de mesure de précision.

Pourquoi une mesure à 2 fils échoue-t-elle ?

Pour comprendre pourquoi quatre fils sont nécessaires, il faut examiner les problèmes rencontrés avec deux fils. Lors d'une mesure à deux fils, la même paire de connexions transporte le courant et mesure la tension ; la tension mesurée inclut donc les chutes de tension dans les câbles et les soudures, et pas seulement aux bornes de l'élément.

Un exemple concret

Supposons que vous fassiez passer un courant de 50 A à travers une résistance de 0.5 mΩ pour mesurer ce courant. Le signal utile est :

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Considérons maintenant les résistances parasites. Une soudure peut facilement ajouter 0.1 à 0.2 mΩ, et les pistes de connexion ajoutent encore davantage. Dans un montage à deux fils, ces résistances sont en série avec le shunt et sont mesurées en même temps que celui-ci. Même une résistance de quelques dixièmes de milliohm due aux soudures et aux pistes, par rapport à un shunt de 0.5 mΩ, introduit une erreur de 20 % ou plus, qui dérive avec la température à mesure que les soudures et le cuivre s'échauffent. Le tableau illustre clairement ce contraste.

Le raccordement à quatre fils élimine cette erreur car le circuit de mesure prélève la tension directement au niveau du shunt et ne transporte aucun courant. C'est pourquoi la mesure de courant de précision utilise presque toujours un raccordement Kelvin.

Où les connexions Kelvin sont utilisées

Partout où une faible résistance ou un courant doit être mesuré avec précision, on retrouve le circuit Kelvin.

• Shunts à détection de courant, le cas classique, la mesure du courant de charge via une résistance de faible valeur.
• Systèmes de gestion de batterie, où un suivi précis du courant et de l'état de charge dépend d'une détection propre.
• Entraînements de moteurs et onduleurs, détection de phase ou de courant de bus pour le contrôle et la protection.
• Alimentation de puissance, pour la limitation, la régulation et la surveillance du courant.
• Mesure de faible résistance en général, par exemple pour caractériser les connecteurs, les enroulements ou les contacts.

Ces applications impliquent souvent des courants élevés et une chaleur importante, c'est pourquoi la conception et la fabrication sont si importantes, et pourquoi la détection de courant est un thème récurrent dans la fabrication de l'électronique de puissance.

Choix de la résistance shunt

Avant de réaliser le raccordement Kelvin, il faut choisir le shunt lui-même. Quatre paramètres déterminent ce choix.

Le choix de cette valeur est une question d'équilibre. L'exemple précédent, 50 A à travers 0.5 mΩ donnant 25 mV, convient parfaitement à un amplificateur de mesure de courant sans gaspillage d'énergie important. Choisissez la valeur la plus basse permettant d'obtenir un signal propre, vérifiez la puissance nominale avec une marge au courant de crête et privilégiez un composant à faible coefficient de température (TCR) pour une meilleure précision. Dans les circuits à courant élevé, la chaleur dissipée par un shunt peut être significative ; il convient donc de prendre en compte les mêmes principes de gestion thermique qui guident les décisions de fabrication en électronique de puissance.

Délimiter l'empreinte de la résistance de détection

La connexion Kelvin est établie ou perdue lors de la configuration. Quelques pratiques spécifiques sont essentielles.

Utiliser une empreinte dédiée à 4 pastilles

Au lieu d'un simple circuit imprimé à deux plots, utilisez un circuit à quatre plots : deux grands plots de force pour le courant et deux petits plots de mesure pour la tension. De nombreux shunts de précision sont spécifiés avec ce type d'empreinte Kelvin ; suivre les recommandations du fabricant est donc un bon point de départ.

Appuyez sur le point de connexion sensorielle au bord de l'élément.

Connectez les pastilles de détection directement sur le corps de la résistance, à l'intérieur des connexions de force, de sorte que la tension mesurée soit uniquement aux bornes de l'élément et exclue la résistance de la pastille de force et de la jonction. L'emplacement des prises de détection est crucial : les connecter en dehors du circuit de force réintroduit l'erreur même que cette technique vise à éliminer.

Veillez à ce que les coussins de force soient symétriques.

Assurez-vous que les deux plots de pression soient symétriques en taille et en connexion cuivre. L'asymétrie n'est pas seulement un problème électrique, mais aussi de fabrication : une quantité inégale de cuivre absorbe la chaleur de manière inégale lors du refusion, ce qui fait qu'une extrémité du composant chauffe et se soude avant l'autre. Ce déséquilibre peut soulever ou déplacer le composant, provoquant l'effet « tombstone » classique. Des plots de pression symétriques et équilibrés garantissent un chauffage uniforme des deux extrémités et un positionnement correct du composant ; c'est là que l'expérience en assemblage de circuits imprimés s'avère cruciale.

Acheminement des lignes de détection

Avec une empreinte correcte, les pistes de détection nécessitent un routage soigné pour préserver la précision.

Court, adapté et éloigné du courant

• Tractez les deux lignes de détection en une paire rapprochée et de longueur identique., en les traitant comme un signal différentiel afin que le bruit se couple aux deux de manière égale et s'annule.
• Gardez-les courts et les éloigner du chemin de force à courant élevé et des nœuds de commutation.
• Envoyez-les à une entrée à haute impédance, un amplificateur de détection de courant ou un CAN, de sorte que le courant qui circule est négligeable et que la résistance du fil de détection ne provoque aucune chute de tension.

L'interface de mesure

La paire de mesure est généralement connectée à un amplificateur de mesure de courant dédié (comme l'INA219 ou l'INA240) ou directement à une entrée d'un convertisseur analogique-numérique de précision. L'ajout de petites résistances appariées en série (de l'ordre de quelques ohms à une dizaine d'ohms) sur chaque ligne de mesure assure le filtrage et la protection de l'entrée sans déséquilibrer la paire. Du fait de ce routage analogique de précision à proximité de courants élevés, les mêmes rigueurs que pour les circuits à haute vitesse et à impédance contrôlée (chemins de retour et contrôle des pistes) s'appliquent.

Effets de second ordre

Une fois les bases maîtrisées, quelques effets plus subtils limitent la précision.

Force électromotrice thermique (tensions thermoélectriques)

Les jonctions entre métaux différents, la soudure, le cuivre et l'élément résistif génèrent de faibles tensions lorsqu'un gradient de température les traverse. À l'échelle du microvolt, ces forces électromotrices thermoélectriques sont cruciales pour les mesures de haute précision. Maintenir les jonctions de détection symétriques et à des températures similaires, et éviter les points chauds à proximité des prises de mesure, permet de minimiser cet effet.

Étalonnage et dérive

Pour une précision optimale, il est indispensable de calibrer l'assemblage final et de tenir compte du coefficient de température du shunt. Une conception soignée élimine les erreurs grossières ; l'étalonnage corrige les erreurs résiduelles et la gestion thermique assure la stabilité de la résistance du shunt, nécessitant parfois l'utilisation d'un substrat adapté aux assemblages à noyau métallique pour les applications haute puissance.

Considérations de fabrication

Un design Kelvin qui paraît parfait en CAO dépend néanmoins de sa fabrication. Plusieurs facteurs de production influent directement sur le résultat.

• Résistance et homogénéité des joints de soudure. Bien que le circuit de détection contourne les joints de force, des joints de force constants et à faible résistance assurent la stabilité du circuit de courant ; un assemblage contrôlé garantit cette constance.
• Symétrie de l'empreinte au sol en pratique. Les plots de force symétriques doivent être construits et soudés symétriquement pour éviter l'effet de « tombstone » et le décalage de placement, qui dépendent de la conception du pochoir et du profil de refusion.
• Contrôle des pistes et du cuivre. Une géométrie en cuivre précise et reproductible assure le bon fonctionnement du chemin de force et de la paire de capteurs appariée, en fonction de la structure sous-jacente. Fabrication de PCB qualité.
• Tests et vérifications. La vérification de la mesure par rapport à une référence connue confirme la conception et la fabrication, et la cohérence des résultats à grande échelle est assurée par la maîtrise des processus. assemblage de circuits imprimés à grand volume.

Détecter rapidement les problèmes d'alignement entre la conception et la fabrication, c'est précisément l'objectif d'une analyse DFM : confirmer que l'empreinte du shunt, l'équilibre des pastilles et le routage des capteurs sont réalisables avant de s'engager.

Un montage Kelvin est conceptuellement simple : il dissocie la force de la mesure. Cependant, sa précision dépend de la compatibilité de l’empreinte, de la prise de mesure, du routage et de la fabrication. En respectant ces paramètres, vous pouvez mesurer avec précision des résistances de l’ordre du milliohm et des courants élevés. Pour en savoir plus sur Highleap Electronics et nos capacités d’assemblage de précision et de puissance, consultez notre site web.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce qu'une connexion Kelvin ?

Un connecteur à quatre fils (quatre bornes) sépare le circuit de conduction du courant (force) du circuit de détection de tension (mesure). Le circuit de mesure prélève la tension au niveau de l'élément sans transporter de courant ; ainsi, la résistance des câbles et des soudures n'affecte pas la mesure, ce qui permet une détection précise des courants et des faibles résistances.

Pourquoi ne puis-je pas simplement utiliser une connexion normale à deux fils ?

Dans un montage à deux fils, les mêmes connexions transportent le courant et mesurent la tension ; la mesure inclut donc les chutes de tension aux bornes des pistes et des joints de soudure. Par rapport à un shunt de l'ordre du milliohm, une résistance de joint de quelques dixièmes de milliohm peut engendrer une erreur de 20 % ou plus, et cette valeur dérive avec la température.

Où puis-je me connecter aux lignes de détection d'un shunt ?

Au niveau du corps de la résistance, à l'intérieur des connexions de force, la tension mesurée est donc uniquement aux bornes de l'élément. Un prélèvement en dehors du circuit de force réintroduit la résistance de la jonction et de la piste que l'on cherche à éliminer, ce qui annule l'intérêt du montage Kelvin.

Pourquoi les coussinets de force du shunt doivent-ils être symétriques ?

L'épaisseur inégale du cuivre sur les deux plots de contact entraîne une répartition inégale de la chaleur lors du refusion, ce qui provoque le mouillage d'une extrémité avant l'autre et un risque de soulèvement ou de déplacement de la pièce (effet « tombstone »). Des plots de contact symétriques et équilibrés chauffent les deux extrémités de manière uniforme, garantissant un positionnement correct et une connexion fiable.

Comment dois-je acheminer les deux signaux de détection ?

Il s'agit d'une paire différentielle courte, rapprochée et de longueur identique, éloignée du chemin de courant élevé et des nœuds de commutation, se terminant par une entrée à haute impédance telle qu'un amplificateur de détection de courant ou un CAN. De petites résistances en série appariées ajoutent un filtrage et une protection sans déséquilibrer la paire.

Quels facteurs de fabrication affectent la précision de la mesure de la température Kelvin ?

Des joints de force constants et à faible résistance ; un soudage symétrique des plots de force pour éviter l’effet « tombstone » ; une géométrie du cuivre précise et reproductible pour le chemin de force et la paire de détection ; et une vérification par rapport à une référence. Une analyse de fabricabilité (DFM) avant la production confirme la faisabilité de l’empreinte et du routage.

Comment choisir la valeur de la résistance de shunt ?

Choisissez la valeur la plus basse permettant d'obtenir un signal exploitable par votre amplificateur ou CAN, minimisant ainsi la consommation d'énergie et la tension d'entrée. Assurez-vous que la puissance nominale supporte le courant I²R au pic de courant avec une marge suffisante et privilégiez un composant à faible coefficient de température (TCR) afin de garantir la précision de la mesure malgré l'échauffement du shunt.