Przewodnik po układzie PCB z połączeniem Kelvina

Połączenie Kelvina, zwane również połączeniem czteroprzewodowym lub czterozaciskowym, oddziela ścieżkę, która przepływa przez element, od ścieżki, która mierzy napięcie na nim, dzięki czemu rezystancja przewodów i połączeń lutowanych nie zakłóca pomiaru. Jest to standardowa technika pomiaru małych rezystancji i pomiaru prądu w boczniku o niskiej wartości. Niniejszy przewodnik wyjaśnia, czym jest Połączenie Kelvina czyli dlaczego zwykły pomiar dwuprzewodowy kończy się niepowodzeniem, a także jak dokładnie rozmieścić obwód rezystora czujnikowego, poprowadzić linie czujnikowe i wyprodukować płytkę, aby dokładność pomiaru przetrwała w produkcji.

Czym jest połączenie Kelvina (4-żyłowe)

Pomysł polega na tym, aby mierzony element miał dwie niezależne pary połączeń, a nie jedną wspólną parę.

Ścieżki siły i zmysłów

• siła Ścieżka ta przenosi prąd pomiarowy (lub obciążenia) do i z elementu. Każdy opór na tej ścieżce powoduje spadek napięcia, ale ten spadek występuje poza punktem pomiaru.
• rozsądek Ścieżka łączy się z elementem, aby zmierzyć napięcie na nim. Jest ona poprowadzona do wejścia o wysokiej impedancji, dzięki czemu prawie nie płynie przez nią prąd, co oznacza, że ​​rezystancja okablowania czujnika praktycznie nie powoduje błędu.

Ponieważ połączenie sensoryczne pobiera napięcie bezpośrednio z elementu i nie przenosi znaczącego prądu, pomiar odzwierciedla sam element, a nie okablowanie i połączenia do niego prowadzące. To jest cała zaleta tej techniki.

Trochę historii

Metoda ta nosi nazwę od nazwiska Lorda Kelvina, którego XIX-wieczny mostek Kelvina został opracowany właśnie do precyzyjnego pomiaru bardzo niskich rezystancji. Ta sama zasada, oddzielająca siłę od sygnału, leży u podstaw współczesnych układów pomiaru prądu i precyzyjnych pomiarów.

Dlaczego pomiar 2-żyłowy się nie powiedzie

Aby zrozumieć, dlaczego potrzebne są cztery przewody, przyjrzyjmy się, co jest nie tak z dwoma. W pomiarze dwuprzewodowym ta sama para połączeń przewodzi prąd i mierzy napięcie, więc zmierzone napięcie uwzględnia spadki napięcia na przewodach i lutach, a nie tylko na elemencie.

Przykładowy układ

Załóżmy, że przepuszczasz 50 A przez bocznik 0.5 mΩ, aby zmierzyć prąd. Użyteczny sygnał to:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Rozważmy teraz czynniki pasożytnicze. Połączenie lutowane może łatwo zwiększyć rezystancję o 0.1–0.2 mΩ, a ścieżki łączące dodają jeszcze więcej. W schemacie dwuprzewodowym rezystancje te są połączone szeregowo z bocznikiem i są mierzone razem z nim. Nawet kilka dziesiątych milioma rezystancji połączenia i ścieżki, w porównaniu z bocznikiem 0.5 mΩ, wprowadza błąd 20% lub więcej, który zmienia się wraz z temperaturą, gdy połączenia i miedź się nagrzewają. Tabela wyraźnie pokazuje ten kontrast.

Połączenie czteroprzewodowe eliminuje ten błąd, ponieważ ścieżka pomiarowa pobiera napięcie z samego bocznika i nie przewodzi prądu. Dlatego precyzyjne pomiary prądu zasadniczo zawsze wykorzystują połączenie Kelvina.

Gdzie stosuje się połączenia Kelvina

Wszędzie tam, gdzie trzeba dokładnie zmierzyć niewielki opór lub prąd, pojawia się związek Kelvina.

• Boczniki wykrywające prąd, klasyczny przypadek pomiaru prądu obciążenia za pomocą rezystora o małej wartości.
• Systemy zarządzania baterią, gdzie dokładne śledzenie prądu i stanu naładowania zależy od precyzyjnego pomiaru.
• Napędy silnikowe i falowniki, wykrywanie prądu fazowego lub magistrali w celu sterowania i ochrony.
• Zasilacze, do ograniczania, regulacji i monitorowania prądu.
• Pomiar niskiej rezystancji ogólnie, takie jak charakteryzowanie złączy, uzwojeń lub styków.

W tego typu zastosowaniach często występują wysokie prądy i znaczne ilości ciepła, dlatego tak ważny jest układ i sposób produkcji, a także dlatego wykrywanie prądu jest często poruszanym tematem. produkcja elektroniki mocy.

Wybór rezystora bocznikowego

Przed ułożeniem połączenia Kelvina należy wybrać sam bocznik. Cztery parametry decydują o tej decyzji.

Wartość ta jest wynikiem równoważenia. Wcześniejszy przykład, 50 A przez 0.5 mΩ, co daje 25 mV, jest komfortowy dla wzmacniacza wykrywającego prąd bez marnowania dużej mocy. Wybierz najniższą wartość, która nadal zapewnia czysty sygnał, potwierdź moc znamionową z marginesem przy prądzie szczytowym i preferuj układ o niskim TCR dla zapewnienia dokładności. W projektach wysokoprądowych ciepło rozpraszane przez bocznik może być znaczne, więc wiąże się z tym samym planowaniem termicznym, które wpływa na decyzje dotyczące produkcji elektroniki mocy.

Układanie śladu rezystora czujnika

Połączenie Kelvina jest tworzone lub tracone w układzie. Niezbędne jest przestrzeganie kilku konkretnych zasad.

Użyj dedykowanego 4-padowego modułu

Zamiast prostego schematu z 2 polami rezystorowymi, zastosuj schemat z 4 polami: dwa duże pola siłowe przewodzące prąd i dwa małe pola pomiarowe odczepiające napięcie. Wiele precyzyjnych boczników jest specyfikowanych dokładnie z tym schematem Kelvina, a punktem wyjścia jest postępowanie zgodnie z zaleceniami producenta.

Dotknij połączenia sensorycznego na krawędzi elementu

Podłącz pady sensoryczne bezpośrednio do korpusu rezystora, wewnątrz Połączenia siłowe, więc wykrywane napięcie występuje tylko na elemencie i nie obejmuje oporu podkładki siłowej ani połączenia. Najważniejszym szczegółem jest miejsce, w którym następuje odczep czujnika: odczep poza ścieżką siły powoduje ponowne wprowadzenie błędu, który ta technika eliminuje.

Zachowaj symetrię podkładek siłowych

Zadbaj o symetrię obu pól naciskowych pod względem rozmiaru i połączenia miedzi. Asymetria to nie tylko problem elektryczny, ale i produkcyjny: nierównomierna miedź nierównomiernie odprowadza ciepło podczas lutowania rozpływowego, przez co jeden koniec elementu nagrzewa się i zwilża przed drugim. Ta nierównowaga może unieść lub przesunąć element, co jest klasycznym problemem w przypadku awarii typu „nagrobek”. Symetryczne, zrównoważone pola naciskowe zapewniają równomierne nagrzewanie się obu końców i prawidłowe umiejscowienie elementu, co jest szczególnie istotne podczas montażu. Montaż PCB.

Trasowanie linii sensownych

Po prawidłowym rozmieszczeniu śladów należy starannie poprowadzić ścieżki sensoryczne, aby zachować dokładność.

Krótkie, dopasowane i z dala od prądu

• Poprowadź dwie linie sensoryczne jako parę blisko siebie, o dopasowanej długości, traktując je jako sygnał różnicowy, dzięki czemu szum sprzęga się w obu sygnałach równo i znosi się.
• Trzymaj je krótko i kierować je z dala od ścieżek siłowego przepływu prądu i węzłów przełączających.
• Wyślij je do wejścia o wysokiej impedancjiwzmacniacz wykrywający prąd lub przetwornik analogowo-cyfrowy, dzięki czemu przepływ prądu jest pomijalny, a rezystancja przewodu wykrywającego nie powoduje spadku.

Przód pomiaru

Para czujników zazwyczaj łączy się z dedykowanym wzmacniaczem do pomiaru prądu (urządzenia takie jak INA219 lub INA240 są typowymi przykładami) lub bezpośrednio z precyzyjnym wejściem przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Dodanie małych, dopasowanych rezystorów szeregowych (rzędu kilku do dziesięciu omów) w każdej linii czujnika zapewnia filtrowanie sygnału wejściowego i ochronę bez utraty równowagi pary. Ponieważ jest to precyzyjne routing analogowy w pobliżu wysokich prądów, stosuje się tę samą technikę, co w praca z dużą prędkością i kontrolowaną impedancją, ostrożne ścieżki powrotne i kontrola śledzenia mają tu również zastosowanie.

Efekty drugiego rzędu

Gdy podstawy są już dobre, kilka subtelniejszych efektów ogranicza dokładność.

SEM cieplne (napięcia termoelektryczne)

Połączenia między różnymi metalami, lutem, miedzią, elementem rezystora, generują niewielkie napięcia, gdy występuje między nimi gradient temperatury. Na poziomie mikrowoltów te termoelektryczne pola elektromagnetyczne mają znaczenie dla uzyskania jak najdokładniejszych pomiarów. Utrzymanie symetrii połączeń sensorycznych i podobnej temperatury oraz unikanie gorących punktów w pobliżu odczepów sensorycznych minimalizuje ten efekt.

Kalibracja i dryft

Aby uzyskać najwyższą dokładność, należy skalibrować gotowy montaż i uwzględnić współczynnik temperaturowy bocznika. Dobry układ eliminuje błędy ogólne; kalibracja eliminuje błędy resztkowe, a zarządzanie ciepłem utrzymuje stabilną rezystancję bocznika, co czasami wymaga zastosowania odpowiedniego podłoża. zespół z rdzeniem metalowym w projektach o dużej mocy.

Uwagi dotyczące produkcji

To, czy projekt Kelvina będzie wyglądał idealnie w systemie CAD, zależy od sposobu jego wykonania. Na efekt końcowy ma bezpośredni wpływ kilka czynników produkcyjnych.

• Wytrzymałość i spójność połączeń lutowanych. Chociaż ścieżka sygnału omija połączenia siłowe, spójne, niskooporowe połączenia siłowe utrzymują stabilność ścieżki prądu; kontrolowany montaż zapewnia taką spójność.
• Symetria śladu stopy w praktyce. Symetryczne punkty styku muszą być zbudowane i przylutowane symetrycznie, aby uniknąć efektu tombstonu i przesunięcia położenia, co jest funkcją konstrukcji szablonu i profilu lutowania rozpływowego.
• Kontrola śladów i miedzi. Dokładna, powtarzalna geometria miedzi sprawia, że ​​ścieżka siły i dopasowana para czujników zachowują się zgodnie z projektem, co zależy od podłoża Produkcja PCB jakość.
• Testowanie i weryfikacja. Weryfikacja pomiaru w oparciu o znany punkt odniesienia potwierdza zarówno projekt, jak i wykonanie, a spójne wyniki na dużą skalę pochodzą z kontroli procesu w wielkogabarytowy montaż PCB.

Wczesne wykrycie problemów związanych z układem i produkcją to właśnie to, czego Recenzja DFM służy potwierdzeniu, że odcisk bocznika, wyważenie podkładek i trasa czujnika są możliwe do zbudowania przed podjęciem decyzji.

Połączenie Kelvina jest koncepcyjnie proste – oddziela siłę od sygnału, ale zapewnia dokładność tylko wtedy, gdy powierzchnia styku, odczep sygnału, sposób prowadzenia i proces produkcji ze sobą współpracują. Prawidłowe ich wykonanie pozwoli na pewny pomiar miliomów i wysokich prądów. Możesz przeczytać więcej. o firmie Highleap Electronics oraz nasze możliwości precyzyjnego i mocnego montażu.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest połączenie Kelvina?

Połączenie czteroprzewodowe (czterozaciskowe), które oddziela ścieżkę przewodzącą prąd (wymuszenie) od ścieżki wykrywającej napięcie (detekcja). Ponieważ ścieżka wykrywająca napięcie pobiera je z elementu i nie przewodzi prądu, okablowanie i rezystancja lutowania nie zakłócają pomiaru, umożliwiając dokładne wykrywanie prądu przy niskiej rezystancji.

Dlaczego nie mogę po prostu zastosować normalnego połączenia dwuprzewodowego?

W schemacie dwuprzewodowym te same połączenia przewodzą prąd i napięcie pomiarowe, więc odczyt uwzględnia spadki rezystancji na ścieżkach i lutach. W przypadku bocznika miliomowego, rezystancja połączenia rzędu kilku dziesiątych milioma może powodować błąd 20% lub większy, a jej wartość dryftuje wraz z temperaturą.

Gdzie należy podłączyć przewody sensoryczne do bocznika?

Tuż przy obudowie rezystora, wewnątrz połączeń siłowych, więc mierzone napięcie jest mierzone tylko na elemencie. Odłączenie poza ścieżką siłową ponownie wprowadza rezystancję połączenia i ścieżki, którą próbujesz wykluczyć, co niweczy cel połączenia Kelvina.

Dlaczego podkładki siłowe bocznika muszą być symetryczne?

Nierównomierna grubość miedzi na dwóch polach dociskowych powoduje nierównomierne nagrzewanie podczas lutowania rozpływowego, przez co jeden koniec zwilża się przed drugim, a element może się unosić lub przesuwać, powodując efekt tombstone. Symetryczne, zrównoważone pola dociskowe równomiernie nagrzewają oba końce, zapewniając prawidłowe umiejscowienie i niezawodne połączenie.

Jak mam poprowadzić dwa ślady sensoryczne?

Jako krótka, gęsto rozmieszczona, dopasowana pod względem długości para różnicowa, umieszczona z dala od ścieżki wymuszającej duży prąd i węzłów przełączających, kończąca się na wejściu o wysokiej impedancji, takim jak wzmacniacz wykrywający prąd lub przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Małe, dopasowane rezystory szeregowe zapewniają filtrowanie i ochronę bez utraty równowagi pary.

Jakie czynniki produkcyjne wpływają na dokładność pomiaru Kelvina?

Spójne połączenia siłowe o niskim oporze; symetryczne lutowanie pól siłowych w celu uniknięcia efektu tombstoningu; dokładna, powtarzalna geometria miedzi dla ścieżki siły i pary czujników; oraz weryfikacja z punktem odniesienia. Przegląd DFM przed produkcją potwierdza, że ​​odcisk i sposób prowadzenia ścieżek są możliwe do zbudowania.

Jak wybrać wartość rezystancji bocznikowej?

Wybierz najniższą wartość, która nadal zapewnia czysty odczyt sygnału przez wzmacniacz lub przetwornik ADC, minimalizując straty mocy i obciążenie napięciowe. Sprawdź, czy moc znamionowa obsługuje prąd I²R przy prądzie szczytowym z odpowiednim zapasem i wybierz element o niskim współczynniku temperaturowym (TCR), aby odczyt pozostał dokładny nawet podczas nagrzewania się bocznika.