Ghid de amplasare a PCB-ului pentru conexiuni Kelvin

O conexiune Kelvin, numită și conexiune cu patru fire sau cu patru terminale, separă calea care transportă curentul printr-un element de calea care detectează tensiunea la bornele acestuia, astfel încât rezistența cablurilor și a îmbinărilor de lipire să nu afecteze măsurarea. Este tehnica standard pentru măsurarea rezistențelor mici și pentru detectarea curentului la bornele unui șunt de valoare mică. Acest ghid explică ce este o conexiune Kelvin , de ce o măsurare obișnuită cu două fire eșuează și exact cum se trasează amprenta rezistorului de detectare, se trasează liniile de detectare și se fabrică placa astfel încât precizia să se mențină în producție.

Ce este o conexiune Kelvin (cu 4 fire)

Ideea este de a oferi elementului măsurat două perechi independente de conexiuni, în loc de o pereche partajată.

Căi de forță și senzoriale

• putere Calea transportă curentul de măsurare (sau de sarcină) în și din element. Orice rezistență pe această cale provoacă o cădere de tensiune, dar această cădere are loc în afara punctului de detectare.
• sens Calea se conectează la element pentru a măsura tensiunea la bornele acestuia. Este rutată către o intrare de înaltă impedanță, astfel încât aproape niciun curent nu circulă în ea, ceea ce înseamnă că rezistența cablurilor de detectare nu provoacă practic nicio eroare.

Deoarece conexiunea de detectare preia tensiunea direct de la element și nu transportă niciun curent semnificativ, măsurătoarea reflectă elementul în sine, nu firele și îmbinările care duc la acesta. Acesta este întregul avantaj al tehnicii.

Un pic de istorie

Metoda este numită după Lordul Kelvin, a cărui punte Kelvin din secolul al XIX-lea a fost dezvoltată cu precizie pentru a măsura cu precizie rezistențe foarte mici. Același principiu, separarea forței de detectare, stă la baza circuitelor moderne de detectare a curentului și de măsurare de precizie din prezent.

De ce eșuează o măsurare pe 2 fire

Pentru a înțelege de ce sunt necesare patru fire, uitați-vă ce este greșit cu două. Într-o măsurare cu două fire, aceeași pereche de conexiuni transportă curentul și detectează tensiunea, astfel încât tensiunea măsurată include căderile de tensiune pe fir și pe îmbinările de lipire, nu doar pe element.

Un exemplu funcțional

Să presupunem că treceți 50 A printr-un shunt de 0.5 mΩ pentru a măsura curentul. Semnalul util este:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Acum să luăm în considerare paraziții. O îmbinare prin lipire poate adăuga cu ușurință 0.1–0.2 mΩ, iar pistele de conectare adaugă mai mult. Într-o schemă cu două fire, aceste rezistențe stau în serie cu șuntul și sunt măsurate împreună cu acesta. Chiar și câteva zecimi de miliohm de rezistență a îmbinării și a pistei, față de un șunt de 0.5 mΩ, introduc o eroare de 20% sau mai mult, iar aceasta fluctuează odată cu temperatura pe măsură ce îmbinările și cuprul se încălzesc. Tabelul clarifică contrastul.

Conexiunea cu patru fire elimină această eroare deoarece calea de detectare preia tensiunea la nivelul șuntului și nu transportă curent. De aceea, detectarea precisă a curentului utilizează în esență întotdeauna o conexiune Kelvin.

Unde se utilizează conexiunile Kelvin

Oriunde trebuie măsurată cu precizie o rezistență mică sau un curent, apare conexiunea Kelvin.

• Șunturi de detectare a curentului, cazul clasic, măsurarea curentului de sarcină prin intermediul unui rezistor de valoare mică.
• Sisteme de management al bateriei, unde urmărirea precisă a curentului și a stării de încărcare depinde de o detectare curată.
• Acționări motor și invertoare, detectarea fazei sau a curentului de magistrală pentru control și protecție.
• Surse de alimentare, pentru limitarea, reglarea și monitorizarea curentului.
• Măsurarea rezistenței scăzute în general, cum ar fi caracterizarea conectorilor, înfășurărilor sau contactelor.

Aceste aplicații implică adesea curenți mari și căldură semnificativă, motiv pentru care atât aspectul, cât și fabricația contează atât de mult, și de ce detectarea curentului este o temă recurentă în fabricația electronicii de putere.

Alegerea rezistenței shunt

Înainte de a trasa conexiunea Kelvin, trebuie ales șuntul în sine. Patru parametri domină această decizie.

Valoarea este o chestiune de echilibrare. Exemplul lucrat anterior, 50 A până la 0.5 mΩ, rezultând 25 mV, este confortabil pentru un amplificator cu detecție de curent fără a risipi multă energie. Alegeți cea mai mică valoare care oferă în continuare un semnal curat, confirmați puterea nominală cu o marjă la curentul de vârf și preferați o piesă cu TCR scăzut pentru precizie. În proiectele de curent mare, căldura disipată de un șunt poate fi semnificativă, așa că se leagă de aceeași planificare termică care determină deciziile de fabricație a electronicii de putere.

Trasarea amprentei rezistorului de detectare

Conexiunea Kelvin se face sau se pierde în machetă. Câteva practici specifice sunt esențiale.

Folosește o amprentă dedicată cu 4 pad-uri

În loc de o amprentă simplă a rezistorului cu 2 pade, utilizați un model cu 4 pade: două pade de forță mari care transportă curentul și două pade de detectare mici care captează tensiunea. Multe șunturi de precizie sunt specificate exact cu această amprentă Kelvin, iar urmarea modelului recomandat de producător este punctul de plecare.

Atingeți conexiunea de detectare de la marginea elementului

Conectați plăcuțele de detectare chiar la corpul rezistorului, în interiorul conexiunilor de forță, astfel încât tensiunea detectată să fie doar pe element și să excludă rezistența plăcuței de forță și a îmbinării. Cel mai important detaliu este locul unde se conectează senzorul: conectați-l în afara traseului de forță și reintroduceți chiar eroarea pe care tehnica o elimină.

Mențineți plăcuțele de forță simetrice

Asigurați-vă că cele două plăcuțe de forță sunt simetrice ca dimensiune și conexiune de cupru. Asimetria nu este doar o problemă electrică, ci și una de fabricație: cuprul inegal atrage căldura în mod neuniform în timpul reflow-ului, astfel încât un capăt al piesei se încălzește și se udă înaintea celuilalt. Acest dezechilibru poate ridica sau deplasa componenta, defectarea clasică de tip „tombstone”. Plăcuțele de forță simetrice și echilibrate mențin ambele capete încălzite uniform și piesa plasată corect, ceea ce reprezintă punctul în care experiența în asamblare se valorifică în timpul asamblării PCB-ului.

Rutarea liniilor de detectare

Cu amprenta corectă, urmele senzoriale necesită o trasare atentă pentru a păstra precizia.

Scurt, potrivit și departe de curent

• Traseați cele două linii de detectare ca o pereche apropiată, cu lungime egală, tratându-le ca un semnal diferențial, astfel încât zgomotul se cuplează în ambele în mod egal și se anulează.
• Păstrați-le scurt și să le direcționeze departe de calea forței de curent ridicat și de la nodurile de comutare.
• Trimiteți-le către o intrare de înaltă impedanță, un amplificator de detectare a curentului sau un ADC, deci curentul este neglijabil, iar rezistența firului de detectare nu provoacă nicio cădere.

Partea frontală a măsurării

Perechea de detecție se conectează de obicei la un amplificator dedicat de detecție a curentului (dispozitive precum INA219 sau INA240 sunt exemple comune) sau direct la o intrare ADC de precizie. Adăugarea unor rezistențe serie mici, adaptate (de ordinul câtorva până la zece ohmi) în fiecare linie de detecție oferă filtrare și protecție la intrare fără a dezechilibra perechea. Deoarece aceasta este o rutare analogică de precizie în apropierea curenților mari, aceeași disciplină utilizată în lucrările de mare viteză și impedanță controlată , căile de retur atente și controlul traseelor, se aplică și aici.

Efecte de ordinul doi

Odată ce elementele de bază sunt corecte, câteva efecte mai subtile stabilesc limita preciziei.

EMF termic (tensiuni termoelectrice)

Joncțiunile dintre metale diferite, aliaje de lipit, cupru, elementul rezistor, generează tensiuni mici atunci când există un gradient de temperatură între ele. La nivelul microvolților, aceste câmpuri electromagnetice termoelectrice sunt importante pentru măsurători cât mai precise. Menținerea joncțiunilor de detectare simetrice și la temperaturi similare, precum și evitarea punctelor fierbinți în apropierea prizelor de detectare, minimizează efectul.

Calibrare și derivă

Pentru cea mai mare precizie, calibrați ansamblul finit și luați în considerare coeficientul de temperatură al șuntului. O configurație bună elimină erorile grosiere; calibrarea gestionează erorile reziduale, iar gestionarea căldurii menține rezistența proprie a șuntului stabilă, necesitând uneori un substrat potrivit pentru ansamblul cu miez metalic în proiecte de mare putere.

Considerații de fabricație

Un design Kelvin care arată perfect în CAD depinde în continuare de modul în care este construit. Mai mulți factori de fabricație afectează direct rezultatul.

• Rezistența și consistența îmbinărilor de lipire. Deși calea de detectare ocolește articulațiile de forță, articulațiile de forță consistente, cu rezistență redusă, mențin calea curentului stabilă; asamblarea controlată oferă această consistență.
• Simetria amprentei în practică. Plăcuțele de forță simetrice trebuie construite și lipite simetric pentru a evita deformarea și deplasarea plasării, o funcție a designului șablonului și a profilului de reflow.
• Controlul urmelor și al cuprului. Geometria precisă și repetabilă a cuprului menține traiectoria forței și perechea de detecție potrivită comportându-se conform proiectării, în funcție de structura subiacentă. Fabricarea PCB calitate.
• Testare și verificare. Verificarea măsurătorii în raport cu o referință cunoscută confirmă atât proiectarea, cât și construcția, iar rezultatele consistente la scară largă provin din controlul procesului. ansamblu PCB de mare volum.

Depistarea timpurie a problemelor de aspect versus fabricație este exact scopul unei revizuiri DFM , confirmând că amprenta șuntului, echilibrul pad-urilor și rutarea de detectare sunt construibile înainte de a vă angaja.

O măsurare cu patru fire este semnificativă doar dacă dispozitivul de acționare păstrează conexiuni separate de forță și de detectare. Testul funcțional la nivel de placă ar trebui să definească sarcina, punctele de sondă, limitele de măsurare și cerințele de calibrare, mai degrabă decât să se bazeze doar pe o verificare a configurației.

Întrebări frecvente

Ce este o conexiune Kelvin?

O conexiune cu patru fire (patru terminale) care separă calea de transport al curentului (forța) de calea de detectare a tensiunii (detecție). Deoarece calea de detectare captează tensiunea la element și nu transportă curent, rezistența firelor și a îmbinării cu lipire nu afectează măsurarea, permițând o detectare precisă a rezistenței scăzute și a curentului.

De ce nu pot folosi o conexiune normală cu două fire?

Într-o schemă cu două fire, aceleași conexiuni transportă curentul și detectează tensiunea, astfel încât citirea include căderile de curent pe trasee și îmbinările de lipire. Împotriva unui șunt de nivel miliohm, câteva zecimi de miliohm de rezistență la îmbinare pot cauza o eroare de 20% sau mai mult, iar aceasta fluctuează în funcție de temperatură.

Unde trebuie să conectez liniile de detectare pe un șunt?

Chiar la corpul rezistorului, în interiorul conexiunilor de forță, deci tensiunea detectată este doar pe element. O conectare în afara traseului de forță reintroduce rezistența articulației și a urmei pe care încercați să o excludeți, anulând scopul conexiunii Kelvin.

De ce trebuie ca plăcuțele de forță ale șuntului să fie simetrice?

Cuprul inegal de pe cele două plăcuțe de forță atrage căldura în mod neuniform în timpul reflow-ului, astfel încât un capăt se udă înaintea celuilalt, iar piesa se poate ridica sau deplasa, provocând deformarea. Plăcuțele de forță simetrice și echilibrate încălzesc ambele capete uniform, menținând poziționarea corectă și conexiunea fiabilă.

Cum ar trebui să direcționez cele două urme senzoriale?

Ca o pereche diferențială scurtă, apropiată, cu lungime adaptată, ținută departe de calea de forță de curent ridicat și de nodurile de comutare, terminându-se la o intrare de impedanță mare, cum ar fi un amplificator de detectare a curentului sau un ADC. Rezistențele serie adaptate mici adaugă filtrare și protecție fără a dezechilibra perechea.

Ce factori de fabricație afectează precizia detectării Kelvin?

Îmbinări de forță consistente, cu rezistență redusă; lipire simetrică a plăcuțelor de forță pentru a evita deteriorarea; geometrie precisă și repetabilă a cuprului pentru calea de forță și perechea de detectare; și verificare în raport cu o referință. O analiză DFM înainte de producție confirmă că amprenta și rutarea sunt construibile.

Cum aleg valoarea rezistenței de șunt?

Alegeți cea mai mică valoare care oferă în continuare un semnal pe care amplificatorul sau ADC-ul dvs. îl poate citi corect, ceea ce reduce la minimum risipa de energie și tensiune. Confirmați că puterea nominală gestionează I²R la curentul de vârf cu o marjă și preferați o componentă cu coeficient de temperatură scăzut (TCR), astfel încât citirea să rămână precisă pe măsură ce șuntul se încălzește.