Guida alla progettazione del PCB di Kelvin Connection

Una connessione Kelvin, detta anche connessione a quattro fili o a quattro terminali, separa il percorso che trasporta la corrente attraverso un elemento dal percorso che rileva la tensione ai suoi capi, in modo che la resistenza dei cavi e delle saldature non alteri la misurazione. È la tecnica standard per misurare piccole resistenze e per rilevare la corrente attraverso uno shunt di basso valore. Questa guida spiega cos'è una connessione Kelvin , perché una normale misurazione a due fili non funziona e come disporre esattamente l'impronta della resistenza di rilevamento, instradare le linee di rilevamento e realizzare il circuito stampato in modo che la precisione si mantenga in produzione.

Cos'è una connessione Kelvin (a 4 fili)

L'idea è quella di fornire all'elemento da misurare due coppie di connessioni indipendenti anziché una coppia condivisa.

Percorsi di forza e di senso

• Migliori forza Il percorso trasporta la corrente di misura (o di carico) all'interno e all'esterno dell'elemento. Qualsiasi resistenza in questo percorso provoca una caduta di tensione, ma tale caduta si verifica al di fuori del punto di rilevamento.
• Migliori senso Il percorso si collega all'elemento per misurare la tensione ai suoi capi. È instradato verso un ingresso ad alta impedenza in modo che non scorra quasi nessuna corrente al suo interno, il che significa che la resistenza del cablaggio di rilevamento non causa praticamente alcun errore.

Poiché il collegamento di rilevamento preleva la tensione direttamente dall'elemento e non trasporta corrente significativa, la misurazione riflette le caratteristiche dell'elemento stesso, non del cablaggio e dei giunti che lo collegano. Questo è il principale vantaggio di questa tecnica.

Un po 'di storia

Il metodo prende il nome da Lord Kelvin, il cui ponte di Kelvin, sviluppato nel XIX secolo, fu ideato proprio per misurare con precisione resistenze molto basse. Lo stesso principio, che separa la forza dal senso, è alla base dei moderni circuiti di rilevamento della corrente e di misurazione di precisione.

Perché una misurazione a 2 fili fallisce

Per capire perché sono necessari quattro fili, osserviamo cosa succede con due. In una misurazione a due fili, la stessa coppia di connessioni trasporta la corrente e rileva la tensione, quindi la tensione misurata include le cadute di tensione attraverso i fili e le saldature, e non solo attraverso l'elemento.

Un esempio pratico

Supponiamo di far passare una corrente di 50 A attraverso uno shunt da 0.5 mΩ per misurare la corrente. Il segnale utile è:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Consideriamo ora le resistenze parassite. Una giunzione di saldatura può facilmente aggiungere 0.1-0.2 mΩ, e le piste di collegamento ne aggiungono ancora di più. In uno schema a due fili, queste resistenze sono in serie con lo shunt e vengono misurate insieme ad esso. Anche pochi decimi di milliohm di resistenza della giunzione e della pista, rispetto a uno shunt di 0.5 mΩ, introducono un errore del 20% o più, e questo valore varia con la temperatura man mano che le giunzioni e il rame si riscaldano. La tabella chiarisce il contrasto.

Il collegamento a quattro fili elimina questo errore perché il percorso di rilevamento preleva la tensione direttamente dallo shunt e non trasporta corrente. Ecco perché il rilevamento di corrente di precisione utilizza essenzialmente sempre un collegamento Kelvin.

Dove vengono utilizzate le connessioni Kelvin

La connessione Kelvin si rivela utile ovunque sia necessario misurare con precisione una piccola resistenza o una corrente.

• Shunt di rilevamento di corrente, il caso classico, la misurazione della corrente di carico tramite una resistenza di basso valore.
• Sistemi di gestione della batteria, dove il monitoraggio accurato della corrente e dello stato di carica dipende da un rilevamento preciso.
• Azionamenti per motori e inverterrilevamento della fase o della corrente del bus per il controllo e la protezione.
• Riserve energeticheper la limitazione, la regolazione e il monitoraggio della corrente.
• Misurazione a bassa resistenza In generale, ad esempio per caratterizzare connettori, avvolgimenti o contatti.

Queste applicazioni spesso implicano correnti elevate e una notevole generazione di calore, motivo per cui sia la progettazione che la produzione sono così importanti e perché il rilevamento della corrente è un tema ricorrente nella produzione di elettronica di potenza.

Scelta della resistenza di shunt

Prima di realizzare il collegamento Kelvin, è necessario scegliere lo shunt stesso. Quattro parametri sono fondamentali per questa decisione.

Il valore da determinare è una questione di equilibrio. L'esempio precedente, 50 A attraverso 0.5 mΩ con una tensione di 25 mV, è adatto a un amplificatore di rilevamento di corrente senza sprechi di energia. Scegliete il valore più basso che garantisca comunque un segnale pulito, verificate la potenza nominale con un margine al picco di corrente e preferite un componente con un basso TCR per una maggiore precisione. Nei progetti ad alta corrente, il calore dissipato da uno shunt può essere significativo, quindi questo aspetto si ricollega alla stessa pianificazione termica che guida le decisioni di produzione nell'elettronica di potenza.

Definizione dell'impronta del sensore di resistenza

La connessione Kelvin si stabilisce o si perde nella progettazione. Alcune pratiche specifiche sono essenziali.

Utilizzare un'impronta dedicata a 4 pad

Anziché utilizzare una semplice configurazione a 2 pad per resistori, è preferibile utilizzare una configurazione a 4 pad: due pad di forza più grandi per il passaggio della corrente e due pad di rilevamento più piccoli per la misurazione della tensione. Molti shunt di precisione sono specificati esattamente con questa configurazione Kelvin, e seguire lo schema raccomandato dal produttore è il punto di partenza ideale.

Tocca il punto di connessione del sensore sul bordo dell'elemento

Collega i pad di rilevamento direttamente sul corpo del resistore, all'interno dei collegamenti di forza, in modo che la tensione rilevata sia solo ai capi dell'elemento ed escluda la resistenza del pad di forza e del giunto. Il punto in cui vengono prelevati i dati è il dettaglio più importante: se li prelevi al di fuori del percorso di forza, reintroduci proprio l'errore che questa tecnica elimina.

Mantenere simmetrici i cuscinetti di forza

Assicurati che i due pad di forza siano simmetrici per dimensioni e connessione in rame. L'asimmetria non è solo un problema elettrico, ma anche di produzione: il rame di dimensioni diverse assorbe il calore in modo non uniforme durante la rifusione, quindi un'estremità del componente si riscalda e si bagna prima dell'altra. Questo squilibrio può sollevare o spostare il componente, causando il classico effetto "tombstoning". Pad di forza simmetrici e bilanciati mantengono entrambe le estremità riscaldate in modo uniforme e il componente posizionato correttamente, ed è qui che l'esperienza di assemblaggio si rivela fondamentale durante l'assemblaggio dei PCB.

Instradamento delle linee sensoriali

Con l'impronta corretta, le tracce di rilevamento necessitano di un instradamento accurato per preservare la precisione.

Corto, abbinato e lontano dalla corrente

• Instradare le due linee di rilevamento come una coppia ravvicinata e di lunghezza corrispondente, trattandoli come un segnale differenziale in modo che il rumore si accoppi a entrambi in egual misura e si annulli.
• Tienili brevi e instradarli lontano dal percorso di forza ad alta corrente e dai nodi di commutazione.
• Inviali a un ingresso ad alta impedenza, un amplificatore di rilevamento di corrente o un ADC, quindi le correnti che scorrono sono trascurabili e la resistenza del filo di rilevamento non provoca alcuna caduta di tensione.

Il front-end di misurazione

La coppia di sensori si collega tipicamente a un amplificatore di rilevamento di corrente dedicato (dispositivi come l'INA219 o l'INA240 sono esempi comuni) o direttamente all'ingresso di un ADC di precisione. L'aggiunta di piccole resistenze in serie abbinate (dell'ordine di pochi ohm o dieci) su ciascuna linea di rilevamento fornisce filtraggio e protezione in ingresso senza sbilanciare la coppia. Poiché si tratta di un instradamento analogico di precisione in prossimità di correnti elevate, la stessa disciplina utilizzata nei circuiti ad alta velocità e a impedenza controllata , ovvero percorsi di ritorno accurati e controllo delle tracce, si applica anche in questo caso.

Effetti del secondo ordine

Una volta impostati correttamente i principi di base, alcuni effetti più sottili definiscono il limite di precisione.

Forza elettromotrice termica (tensioni termoelettriche)

Le giunzioni tra metalli diversi, come la saldatura, il rame e l'elemento resistivo, generano piccole tensioni in presenza di un gradiente di temperatura. A livello di microvolt, queste forze elettromotrici termoelettriche sono rilevanti per le misurazioni più precise. Mantenere le giunzioni di rilevamento simmetriche e a temperature simili, ed evitare punti caldi in prossimità dei punti di rilevamento, riduce al minimo questo effetto.

Calibrazione e deriva

Per ottenere la massima precisione, calibrare l'assemblaggio finito e tenere conto del coefficiente di temperatura dello shunt. Un buon layout elimina gli errori grossolani; la calibrazione gestisce gli errori residui e la gestione del calore mantiene stabile la resistenza dello shunt, richiedendo talvolta un substrato adatto all'assemblaggio con nucleo metallico nei progetti ad alta potenza.

Considerazioni sulla produzione

Un progetto Kelvin che appare perfetto in CAD dipende comunque da come viene realizzato. Diversi fattori di produzione influenzano direttamente il risultato.

• Resistenza e uniformità delle giunzioni di saldatura. Sebbene il percorso di rilevamento aggiri i giunti di forza, giunti di forza costanti e a bassa resistenza mantengono stabile il percorso corrente; l'assemblaggio controllato garantisce tale costanza.
• Simmetria dell'impronta in pratica. I pad di forza simmetrici devono essere costruiti e saldati simmetricamente per evitare l'effetto "tombstoning" e lo spostamento del posizionamento, che dipendono dal design dello stencil e dal profilo di rifusione.
• Controllo delle tracce e del rame. La geometria del rame accurata e ripetibile mantiene il percorso della forza e la coppia di sensori abbinati che si comportano come previsto, il che dipende dal sottostante Produzione di PCB qualità.
• Test e verifica. La verifica della misurazione rispetto a un riferimento noto conferma sia la progettazione che la costruzione, e risultati coerenti su larga scala derivano dal controllo di processo in assemblaggio PCB ad alto volume.

Individuare tempestivamente i problemi di progettazione rispetto alla produzione è esattamente lo scopo di una revisione DFM , che conferma la fattibilità costruttiva dell'ingombro dello shunt, il bilanciamento dei pad e il routing dei segnali di rilevamento prima di procedere alla realizzazione definitiva.

Una connessione Kelvin è concettualmente semplice, separando la forza dal rilevamento, ma offre la sua precisione solo quando l'ingombro, il punto di rilevamento, il percorso e il processo produttivo collaborano in modo ottimale. Se questi elementi sono corretti, è possibile misurare milliohm e correnti elevate con sicurezza. Per saperne di più su Highleap Electronics e sulle nostre capacità di assemblaggio di precisione e potenza, visita il nostro sito.

Domande frequenti

Che cos'è una connessione Kelvin?

Una connessione a quattro fili (quattro terminali) che separa il percorso di trasporto della corrente (forza) dal percorso di rilevamento della tensione (sensore). Poiché il percorso di rilevamento preleva la tensione dall'elemento e non trasporta corrente, la resistenza del cablaggio e della saldatura non altera la misurazione, consentendo un rilevamento accurato di basse resistenze e correnti.

Perché non posso semplicemente usare una normale connessione a due fili?

In uno schema a due fili, le stesse connessioni trasportano corrente e rilevano tensione, quindi la lettura include le cadute di tensione lungo le piste e le saldature. Rispetto a uno shunt dell'ordine dei milliohm, pochi decimi di milliohm di resistenza di giunzione possono causare un errore del 20% o più, e tale valore varia con la temperatura.

Dove devo collegarmi alle linee di rilevamento su uno shunt?

Proprio sul corpo del resistore, all'interno dei collegamenti di forza, in modo che la tensione rilevata sia solo ai capi dell'elemento. Prelevare il segnale all'esterno del percorso di forza reintroduce la resistenza di giunzione e di traccia che si sta cercando di escludere, vanificando lo scopo della connessione Kelvin.

Perché i cuscinetti di forza dello shunt devono essere simmetrici?

La diversa distribuzione del rame sui due pad di forza distribuisce il calore in modo non uniforme durante la rifusione, causando il riscaldamento di un'estremità prima dell'altra e il conseguente sollevamento o spostamento del pezzo, con conseguente effetto "tombstoning" (deformazione a "tombstone"). Pad di forza simmetrici e bilanciati riscaldano entrambe le estremità in modo uniforme, mantenendo il corretto posizionamento e garantendo una connessione affidabile.

Come devo instradare le due tracce di rilevamento?

Si tratta di una coppia differenziale corta, ravvicinata e di lunghezza corrispondente, tenuta lontana dal percorso di forza ad alta corrente e dai nodi di commutazione, che termina su un ingresso ad alta impedenza come un amplificatore di rilevamento di corrente o un ADC. Piccole resistenze in serie, abbinate tra loro, aggiungono filtraggio e protezione senza sbilanciare la coppia.

Quali fattori di produzione influenzano la precisione della misurazione della temperatura Kelvin?

Giunzioni di forza uniformi e a bassa resistenza; saldatura simmetrica dei pad di forza per evitare l'effetto "tombstoning"; geometria del rame precisa e ripetibile per il percorso di forza e la coppia di rilevamento; e verifica rispetto a un riferimento. Una revisione DFM prima della produzione conferma che l'ingombro e il routing sono realizzabili.

Come scelgo il valore della resistenza di shunt?

Scegli il valore più basso che fornisca comunque un segnale leggibile correttamente dall'amplificatore o dal convertitore analogico-digitale (ADC), minimizzando così la dispersione di potenza e il carico di tensione. Verifica che la potenza nominale gestisca la corrente I²R di picco con un margine adeguato e, preferibilmente, scegli un componente a basso coefficiente di temperatura (TCR) in modo che la lettura rimanga precisa anche con l'aumento della temperatura dello shunt.