Handleiding voor het ontwerpen van printplaten van Kelvin Connection

Een Kelvin-aansluiting, ook wel een vierdraads- of vier-aansluiting genoemd, scheidt het pad waarlangs de stroom door een element loopt van het pad waarlangs de spanning erover wordt gemeten. Hierdoor wordt voorkomen dat de weerstand van de bedrading en de soldeerverbindingen de meting verstoort. Het is de standaardtechniek voor het meten van kleine weerstanden en voor het meten van stroom door een shunt met een lage waarde. Deze handleiding legt uit wat een Kelvin-aansluiting inhoudt. Kelvin-verbinding Dit artikel gaat over de reden waarom een ​​gewone tweepuntsmeting mislukt en hoe de basis voor de meetweerstand moet worden gelegd, de meetdraden moeten worden aangelegd en de printplaat moet worden gefabriceerd, zodat de nauwkeurigheid tijdens de productie behouden blijft.

Wat een Kelvin (4-draads) aansluiting is

Het idee is om het te meten element twee onafhankelijke paren verbindingen te geven in plaats van één gedeeld paar.

Kracht- en zintuigpaden

• De dwingen Het pad voert de meetstroom (of belastingsstroom) naar en van het element. Elke weerstand in dit pad veroorzaakt een spanningsval, maar die val vindt plaats buiten het meetpunt.
• De zin Het pad verbindt het element om de spanning erover te meten. Het is aangesloten op een ingang met hoge impedantie, zodat er vrijwel geen stroom doorheen loopt. Dit betekent dat de weerstand van de meetbedrading in wezen geen fout veroorzaakt.

Omdat de meetaansluiting de spanning rechtstreeks bij het element aftapt en geen noemenswaardige stroom voert, weerspiegelt de meting het element zelf, en niet de bedrading en verbindingen die ernaartoe leiden. Dat is het grootste voordeel van deze techniek.

Een stukje geschiedenis

De methode is vernoemd naar Lord Kelvin, wiens Kelvinbrug in de 19e eeuw speciaal werd ontwikkeld om zeer lage weerstanden nauwkeurig te meten. Hetzelfde principe, waarbij kracht en gevoel gescheiden worden, ligt ten grondslag aan moderne stroommeet- en precisiemeetcircuits.

Waarom een ​​2-draadsmeting mislukt

Om te begrijpen waarom er vier draden nodig zijn, kijk eens naar wat er misgaat met twee. Bij een meting met twee draden loopt de stroom door hetzelfde paar verbindingen en wordt de spanning gemeten. De gemeten spanning omvat dus de spanningsval over de bedrading en de soldeerverbindingen, en niet alleen over het element zelf.

Een uitgewerkt voorbeeld

Stel dat u 50 A door een shuntweerstand van 0.5 mΩ laat lopen om de stroomsterkte te meten. Het nuttige signaal is:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Laten we nu de parasitaire effecten bekijken. Een soldeerverbinding kan gemakkelijk 0.1–0.2 mΩ toevoegen, en de verbindingssporen voegen daar nog meer aan toe. In een tweeledige schakeling staan ​​deze weerstanden in serie met de shunt en worden ze samen daarmee gemeten. Zelfs een paar tienden van een milliohm aan verbindings- en spoorweerstand, ten opzichte van een shunt van 0.5 mΩ, introduceert een fout van 20% of meer, en deze fout neemt toe met de temperatuur naarmate de verbindingen en het koper opwarmen. De tabel maakt het contrast duidelijk.

De vierdraadsverbinding elimineert deze fout omdat het meetpad de spanning bij de shunt zelf aftapt en geen stroom voert. Daarom wordt bij nauwkeurige stroommeting vrijwel altijd een Kelvin-verbinding gebruikt.

Waar Kelvin-verbindingen worden gebruikt

Overal waar een kleine weerstand of een stroomsterkte nauwkeurig gemeten moet worden, komt de Kelvin-relatie van pas.

• Stroommeetshunts, het klassieke geval, waarbij de belastingsstroom wordt gemeten via een weerstand met een lage waarde.
• Batterijbeheersystemenwaarbij nauwkeurige stroom- en laadstatusmeting afhankelijk is van een zuivere sensor.
• Motoraandrijvingen en omvormers, het detecteren van fase- of busstroom voor besturing en beveiliging.
• Voeding, voor huidige beperkingen, regulering en monitoring.
• Lage weerstandsmeting In het algemeen gaat het om het karakteriseren van connectoren, wikkelingen of contacten.

Deze toepassingen gaan vaak gepaard met hoge stromen en aanzienlijke warmteontwikkeling, waardoor zowel de lay-out als de fabricage zo belangrijk zijn en stroommeting een terugkerend thema is. productie van vermogenselektronica.

De shuntweerstand kiezen

Voordat de Kelvin-aansluiting wordt aangelegd, moet de shunt zelf worden gekozen. Vier parameters zijn doorslaggevend bij die beslissing.

De waarde is een kwestie van afwegen. Het eerder uitgewerkte voorbeeld, 50 A door 0.5 mΩ met een spanning van 25 mV, is prima voor een stroommeetversterker zonder veel vermogen te verspillen. Kies de laagste waarde die nog steeds een zuiver signaal geeft, controleer het vermogen met een marge bij piekstroom en kies bij voorkeur een component met een lage TCR voor nauwkeurigheid. Bij ontwerpen met hoge stroomsterkte kan de warmte die een shunt afvoert aanzienlijk zijn, dus dit sluit aan bij dezelfde thermische planning die bepalend is voor beslissingen in de productie van vermogenselektronica.

Het uitzetten van de voetafdruk van de sensorweerstand

De Kelvin-verbinding wordt gemaakt of verbroken door de lay-out. Een paar specifieke werkwijzen zijn essentieel.

Gebruik een speciaal daarvoor bestemde 4-pads-voetafdruk

Gebruik in plaats van een standaard 2-pads weerstandsvoetafdruk een 4-pads patroon: twee grote voedingspads die de stroom voeren en twee kleine meetpads die de spanning aftappen. Veel precisie-shuntweerstanden worden precies met deze Kelvin-voetafdruk gespecificeerd, en het door de fabrikant aanbevolen patroon volgen is een goed uitgangspunt.

Tik op de sensorverbinding aan de rand van het element.

Sluit de sensorpads direct aan op de behuizing van de weerstand. binnen De krachtoverbrengingen zorgen ervoor dat de gemeten spanning alleen over het element loopt en de weerstand van het krachtkussen en het gewricht buiten beschouwing laat. De precieze locatie van de meetpunten is cruciaal: meet je buiten het krachtpad, dan introduceer je juist de fout die de techniek probeert te elimineren.

Zorg ervoor dat de drukpunten symmetrisch zijn.

Zorg ervoor dat de twee drukplaten symmetrisch zijn qua grootte en koperverbinding. Asymmetrie is niet alleen een elektrisch probleem, maar ook een productieprobleem: ongelijke koperdraden onttrekken warmte ongelijkmatig tijdens het reflowproces, waardoor het ene uiteinde van het onderdeel eerder opwarmt en bevochtigd wordt dan het andere. Deze onbalans kan het onderdeel optillen of verschuiven, wat leidt tot het klassieke 'tombstoning'-probleem. Symmetrische, gebalanceerde drukplaten zorgen ervoor dat beide uiteinden gelijkmatig opwarmen en het onderdeel correct gepositioneerd blijft. Hier komt assemblage-ervaring goed van pas. PCB-montage.

Het routeren van de sense-lijnen

Als de voetafdruk correct is, moeten de sensorsporen zorgvuldig worden geleid om de nauwkeurigheid te behouden.

Kort, passend en ver verwijderd van de huidige

• Leid de twee signaaldraden als een dicht bij elkaar liggende, qua lengte gelijke, dubbele kabel.waarbij ze als een differentieel signaal worden behandeld, zodat ruis gelijkmatig in beide signalen doordringt en elkaar opheft.
• Houd ze kort en ze wegleiden van het pad met hoge stroomsterkte en van schakelknooppunten.
• Stuur ze naar een ingang met hoge impedantie., een stroommeetversterker of een ADC, waardoor er een verwaarloosbare stroom vloeit en de weerstand van de meetdraad geen spanningsval veroorzaakt.

De meetfront-end

Het sense-paar is doorgaans verbonden met een speciale stroommeetversterker (apparaten zoals de INA219 of INA240 zijn veelvoorkomende voorbeelden) of rechtstreeks met een precisie-ADC-ingang. Door kleine, op elkaar afgestemde serieweerstanden (in de orde van enkele tot tien ohm) in elke sense-lijn toe te voegen, wordt ingangsfiltering en -bescherming geboden zonder het paar uit balans te brengen. Omdat dit precisie-analoge routing betreft in de buurt van hoge stromen, wordt dezelfde discipline toegepast als in hogesnelheids- en gecontroleerde-impedantie-werkzaamhedenZorgvuldige retourpaden en tracering zijn hier ook van toepassing.

Tweede-orde effecten

Als de basis eenmaal goed is, bepalen een paar subtielere effecten de nauwkeurigheid.

Thermische EMF (thermoelektrische spanningen)

Verbindingen tussen verschillende metalen, zoals soldeer, koper en het weerstandselement, genereren kleine spanningen wanneer er een temperatuurgradiënt overheen loopt. Op microvoltniveau zijn deze thermo-elektrische elektromotorische krachten (EMK's) van belang voor de meest nauwkeurige metingen. Door de meetpunten symmetrisch en op gelijke temperaturen te houden en hotspots in de buurt van de meetpunten te vermijden, wordt het effect geminimaliseerd.

Kalibratie en drift

Voor de hoogst mogelijke nauwkeurigheid dient de voltooide constructie te worden gekalibreerd en rekening te worden gehouden met de temperatuurcoëfficiënt van de shunt. Een goede lay-out elimineert de grove fouten; kalibratie corrigeert de resterende fouten en warmtebeheer zorgt ervoor dat de weerstand van de shunt stabiel blijft, wat soms een geschikt substraat vereist. metaalkernassemblage in ontwerpen met hoog vermogen.

Overwegingen bij fabricage

Een Kelvin-ontwerp dat er in CAD perfect uitziet, is nog steeds afhankelijk van de daadwerkelijke productie. Verschillende productiefactoren hebben direct invloed op het eindresultaat.

• Weerstand en consistentie van de soldeerverbinding. Hoewel het detectiepad de krachtoverbrengingspunten omzeilt, zorgen consistente krachtoverbrengingspunten met lage weerstand ervoor dat het stroompad stabiel blijft; gecontroleerde assemblage zorgt voor die consistentie.
• Voetafdruksymmetrie in de praktijk. De symmetrische drukpunten moeten symmetrisch worden geconstrueerd en gesoldeerd om vervorming en verschuiving van de plaatsing te voorkomen, wat afhankelijk is van het stencilontwerp en het reflow-profiel.
• Trace- en kopercontrole. Nauwkeurige, reproduceerbare kopergeometrie zorgt ervoor dat het krachtpad en het bijbehorende sensorpaar zich gedragen zoals bedoeld, wat afhankelijk is van de onderliggende structuur. PCB-productie kwaliteit.
• Test en verificatie. Het verifiëren van de meting aan de hand van een bekende referentie bevestigt zowel het ontwerp als de constructie, en consistente resultaten op grote schaal zijn het resultaat van procesbeheersing. PCB-assemblage met hoog volume.

Het vroegtijdig signaleren van problemen tussen de lay-out en de productie is precies wat een DFM-beoordeling Het doel is om te controleren of de afmetingen van de shunt, de padbalans en de sense-routing haalbaar zijn voordat u een definitieve beslissing neemt.

Een Kelvin-aansluiting is conceptueel eenvoudig: scheid de kracht van de meetrichting. De nauwkeurigheid is echter alleen gegarandeerd wanneer de afmetingen, de meetaansluiting, de routing en de productie allemaal goed op elkaar zijn afgestemd. Zorg dat deze elementen kloppen en u kunt met vertrouwen milliohm en hoge stromen meten. Lees meer Over Highleap Electronics en onze mogelijkheden op het gebied van precisie- en krachtassemblage.

Veelgestelde Vragen / FAQ

Wat is een Kelvin-verbinding?

Een vierdraads (vier-aansluiting) verbinding die het stroomvoerende (kracht)pad scheidt van het spanningsmeetpad. Omdat het meetpad de spanning bij het element aftapt en geen stroom voert, beïnvloeden de bedrading en de weerstand van de soldeerverbindingen de meting niet, waardoor nauwkeurige metingen van lage weerstand en stroom mogelijk zijn.

Waarom kan ik niet gewoon een normale tweepolige verbinding gebruiken?

Bij een tweeledige bedrading voeren dezelfde verbindingen stroom en meetspanning, waardoor de meting de spanningsval over de printsporen en soldeerverbindingen omvat. Bij een shuntweerstand van enkele tienden van een milliohm kan een verbindingsweerstand van een paar tienden van een milliohm een ​​fout van 20% of meer veroorzaken, en deze fout varieert bovendien met de temperatuur.

Waar moet ik de sense-draden van een shunt aansluiten?

Precies bij de behuizing van de weerstand, binnen de stroomaansluitingen, zodat de gemeten spanning alleen over het element staat. Door buiten het stroompad af te tappen, wordt de weerstand van de verbinding en de printsporen die je juist probeert uit te sluiten, weer geïntroduceerd, waardoor het doel van de Kelvin-aansluiting verloren gaat.

Waarom moeten de drukplaten van de shunt symmetrisch zijn?

Ongelijke koperlagen op de twee soldeerpunten zorgen ervoor dat de warmte tijdens het reflow-proces ongelijkmatig wordt verdeeld. Hierdoor wordt het ene uiteinde eerder warm dan het andere, waardoor het onderdeel kan loskomen of verschuiven (tombstoning). Symmetrische, gebalanceerde soldeerpunten verwarmen beide uiteinden gelijkmatig, waardoor de positionering correct blijft en de verbinding betrouwbaar is.

Hoe moet ik de twee sense-traces aansluiten?

Als een kort, dicht bij elkaar geplaatst, in lengte afgestemd differentieel paar, weggehouden van het pad met hoge stroomsterkte en schakelknooppunten, eindigend bij een ingang met hoge impedantie, zoals een stroommeetversterker of ADC. Kleine, op elkaar afgestemde serieweerstanden zorgen voor filtering en bescherming zonder het paar uit balans te brengen.

Welke productiefactoren beïnvloeden de nauwkeurigheid van Kelvin-metingen?

Consistente, wrijvingsarme krachtverbindingen; symmetrisch solderen van de krachtpads om tombstoning te voorkomen; nauwkeurige, reproduceerbare kopergeometrie voor het krachtpad en de sensor; en verificatie aan de hand van een referentie. Een DFM-beoordeling vóór productie bevestigt dat de footprint en routing realiseerbaar zijn.

Hoe kies ik de juiste shuntweerstandswaarde?

Kies de laagste waarde die nog steeds een signaal oplevert dat uw versterker of ADC zuiver kan uitlezen, waardoor energieverspilling en spanningsbelasting tot een minimum worden beperkt. Controleer of het vermogen de I²R-weerstand bij piekstroom met voldoende marge aankan en kies bij voorkeur voor een component met een lage temperatuurcoëfficiënt (TCR), zodat de meting nauwkeurig blijft naarmate de shunt opwarmt.