Kelvin Bağlantı PCB Yerleşim Kılavuzu

Kelvin bağlantısı, dört telli veya dört terminalli bağlantı olarak da adlandırılır ve bir elemandan geçen akımı taşıyan yolu, üzerindeki voltajı algılayan yoldan ayırır; böylece kablolama ve lehim bağlantılarının direnci ölçümü bozmaz. Küçük dirençleri ölçmek ve düşük değerli bir şönt üzerinden akımı algılamak için standart tekniktir. Bu kılavuz, Kelvin bağlantısının ne olduğunu, sıradan iki telli ölçümün neden başarısız olduğunu ve algılama direncinin yerleşimini, algılama hatlarının nasıl yönlendirileceğini ve üretimde doğruluğun korunması için devre kartının nasıl üretileceğini tam olarak açıklamaktadır.

Kelvin (4 Kablolu) Bağlantısı Nedir?

Buradaki amaç, ölçülen elemana paylaşılan tek bir bağlantı çifti yerine iki bağımsız bağlantı çifti sağlamaktır.

Kuvvet ve duyu yolları

• MKS anabolik etkileri de mevcuttur Bu yol, ölçüm (veya yük) akımını elemanın içine ve dışına taşır. Bu yoldaki herhangi bir direnç, voltaj düşüşüne neden olur, ancak bu düşüş algılama noktasının dışında gerçekleşir.
• MKS duyu Bu yol, üzerindeki voltajı ölçmek için elemana bağlanır. Yüksek empedanslı bir girişe yönlendirilmiştir, böylece içinden neredeyse hiç akım geçmez; bu da algılama kablolarının direncinin esasen hiçbir hataya neden olmadığı anlamına gelir.

Algılama bağlantısı voltajı doğrudan elemandan aldığından ve anlamlı bir akım taşımadığından, ölçüm elemanın kendisini yansıtır, ona giden kabloları ve bağlantıları değil. Tekniğin tüm avantajı budur.

Biraz tarih

Bu yöntem, 19. yüzyılda çok düşük dirençleri doğru bir şekilde ölçmek için geliştirilen Kelvin köprüsüyle tanınan Lord Kelvin'in adını taşımaktadır. Kuvvet ve yönü birbirinden ayırma prensibi, günümüzdeki modern akım algılama ve hassas ölçüm devrelerinin temelini oluşturmaktadır.

İki telli ölçüm neden başarısız olur?

Dört kabloya neden ihtiyaç duyulduğunu anlamak için, iki kabloyla yapılan ölçümlerde yaşanan sorunlara bakalım. İki kablolu bir ölçümde, aynı bağlantı çifti akımı taşır ve voltajı algılar; bu nedenle ölçülen voltaj, yalnızca eleman üzerindeki değil, kablolama ve lehim bağlantıları üzerindeki voltaj düşüşlerini de içerir.

Örnek bir uygulama

Akımı ölçmek için 0.5 mΩ'luk bir şöntten 50 A akım geçirdiğinizi varsayalım. Kullanışlı sinyal şudur:

50 A × 0.0005 Ω = 25 mV

Şimdi parazit dirençleri ele alalım. Bir lehim bağlantısı kolayca 0.1–0.2 mΩ ekleyebilir ve bağlantı izleri daha fazlasını ekler. İki telli bir şemada bu dirençler şönt ile seri halde bulunur ve onunla birlikte ölçülür. 0.5 mΩ'luk bir şönt karşısında, bağlantı ve iz direncinin birkaç ondalık miliohm'luk bir farkı bile %20 veya daha fazla bir hataya neden olur ve bağlantılar ve bakır ısındıkça sıcaklıkla birlikte değişir. Tablo bu farkı açıkça göstermektedir.

Dört telli bağlantı bu hatayı ortadan kaldırır çünkü algılama yolu voltajı doğrudan şöntten alır ve akım taşımaz. Bu nedenle hassas akım algılama esasen her zaman Kelvin bağlantısı kullanır.

Kelvin Bağlantılarının Kullanıldığı Yerler

Küçük bir direncin veya akımın hassas bir şekilde ölçülmesi gereken her yerde Kelvin bağlantısı devreye girer.

• Akım algılayan şöntlerKlasik örnekte olduğu gibi, yük akımı düşük değerli bir direnç üzerinden ölçülür.
• Batarya yönetim sistemleriBurada doğru akım ve şarj durumu takibi, temiz algılamaya bağlıdır.
• Motor sürücüleri ve invertörlerKontrol ve koruma amacıyla faz veya bara akımını algılama.
• Güç kaynaklarıAkım sınırlama, düzenleme ve izleme amacıyla.
• Düşük direnç ölçümü Genellikle, bağlantı elemanlarını, sargıları veya kontakları karakterize etmek gibi.

Bu uygulamalar genellikle yüksek akımlar ve önemli miktarda ısı içerir; bu nedenle hem tasarım hem de üretim çok önemlidir ve akım algılama, güç elektroniği üretiminde tekrar eden bir temadır.

Şönt Direncinin Seçimi

Kelvin bağlantısını kurmadan önce, şöntün kendisi seçilmelidir. Bu kararı dört parametre belirler.

Değer, bir denge meselesidir. Daha önce verilen örnekte, 0.5 mΩ'dan geçen 50 A akım ile elde edilen 25 mV, çok fazla güç israf etmeden akım algılama amplifikatörü için uygundur. Temiz bir sinyal veren en düşük değeri seçin, tepe akımında güç değerini bir marjla doğrulayın ve doğruluk için düşük TCR'li bir parça tercih edin. Yüksek akım tasarımlarında, şöntün yaydığı ısı önemli olabilir, bu nedenle güç elektroniği üretim kararlarını yönlendiren aynı termal planlamaya geri döner.

Algılama Direncinin İzlerini Belirleme

Kelvin bağlantısı, yerleşim düzeninde kurulur veya kaybolur. Birkaç özel uygulama şarttır.

Dört pedli özel bir alan kullanın.

Düz 2 pedli direnç ayak izi yerine, 4 pedli bir düzen kullanın: akımı taşıyan iki büyük kuvvet pedi ve voltajı ölçen iki küçük algılama pedi. Birçok hassas şönt tam olarak bu Kelvin ayak iziyle belirtilmiştir ve üreticinin önerdiği deseni takip etmek başlangıç ​​noktasıdır.

Öğenin kenarındaki algılama bağlantısına dokunun.

Algılama pedlerini direncin gövdesine, kuvvet bağlantılarının içine bağlayın , böylece algılanan voltaj yalnızca eleman üzerinde olur ve kuvvet pedi ile bağlantı direncini dışarıda bırakır. Algılama noktalarının nereye bağlanacağı en önemli ayrıntıdır: kuvvet yolunun dışında bağlantı yaparsanız, tekniğin ortadan kaldırdığı hatayı yeniden ortaya çıkarırsınız.

Kuvvet pedlerini simetrik tutun.

İki kuvvet pedini boyut ve bakır bağlantı açısından simetrik hale getirin. Asimetri sadece elektriksel bir sorun değil, aynı zamanda üretimsel bir sorundur: Eşit olmayan bakır, lehimleme sırasında ısıyı eşit olmayan şekilde çeker, bu nedenle parçanın bir ucu diğerinden önce ısınır ve ıslanır. Bu dengesizlik, bileşenin kalkmasına veya kaymasına neden olabilir; bu da klasik "tombstoning" (yanık kalma) hatasıdır. Simetrik ve dengeli kuvvet pedleri, her iki ucun da eşit şekilde ısınmasını ve parçanın doğru şekilde yerleştirilmesini sağlar; bu da PCB montajı sırasında montaj deneyiminin faydasını gösterir.

Algılama Hatlarının Yönlendirilmesi

Ayak izi doğru olduğunda, doğruluğu korumak için algılama izlerinin dikkatli bir şekilde yönlendirilmesi gerekir.

Kısa, uyumlu ve akıntıdan uzak

• İki yönlendirme çizgisini birbirine yakın ve uzunlukları eşleşmiş bir çift olarak yönlendirin.Bunları diferansiyel sinyal olarak ele alarak, gürültünün her ikisine de eşit şekilde nüfuz etmesini ve birbirini yok etmesini sağlıyoruz.
• Onları kısa tut ve bunları yüksek akım kuvvet yolundan ve anahtarlama düğümlerinden uzaklaştırın.
• Onları yüksek empedanslı bir girişe gönderin.Akım algılayıcı bir yükselteç veya bir ADC olduğundan, ihmal edilebilir düzeyde akım akar ve algılama teli direnci herhangi bir gerilim düşüşüne neden olmaz.

Ölçüm ön ucu

Algılama çifti tipik olarak özel bir akım algılama amplifikatörüne (INA219 veya INA240 gibi cihazlar yaygın örneklerdir) veya doğrudan hassas bir ADC girişine bağlanır. Her algılama hattına küçük, eşleştirilmiş seri dirençler (birkaç ila on ohm mertebesinde) eklemek, çifti dengesizleştirmeden giriş filtreleme ve koruma sağlar. Bu, yüksek akımlara yakın hassas analog yönlendirme olduğundan, yüksek hızlı ve kontrollü empedans çalışmalarında kullanılan aynı disiplin , dikkatli dönüş yolları ve iz kontrolü, burada da geçerlidir.

İkinci Dereceden Etkiler

Temeller doğru ayarlandıktan sonra, birkaç ince ayar doğruluğun sınırlarını belirler.

Termal EMF (termoelektrik voltajlar)

Farklı metaller, lehim, bakır, direnç elemanı arasındaki bağlantı noktaları, üzerlerinde bir sıcaklık gradyanı olduğunda küçük voltajlar üretir. Mikrovolt seviyesindeki bu termoelektrik elektromanyetik alanlar, en hassas ölçümler için önemlidir. Algılama bağlantı noktalarını simetrik ve benzer sıcaklıklarda tutmak ve algılama uçlarının yakınında sıcak noktalar oluşmasını önlemek, bu etkiyi en aza indirir.

Kalibrasyon ve sapma

En yüksek doğruluk için, tamamlanmış düzeneği kalibre edin ve şöntün sıcaklık katsayısını dikkate alın. İyi bir yerleşim, büyük hataları ortadan kaldırır; kalibrasyon kalan hataları giderir ve ısı yönetimi, şöntün kendi direncini sabit tutar; bu da bazen yüksek güçlü tasarımlarda metal çekirdekli montaja uygun bir alt tabaka gerektirir.

İmalat Hususları

CAD'de mükemmel görünen bir Kelvin tasarımı, yine de nasıl üretildiğine bağlıdır. Birçok üretim faktörü sonucu doğrudan etkiler.

• Lehim bağlantısının direnci ve tutarlılığı. Algılama yolu kuvvet bağlantılarını atlasa da, tutarlı ve düşük dirençli kuvvet bağlantıları akım yolunu sabit tutar; kontrollü montaj bu tutarlılığı sağlar.
• Ayak izi simetrisinin pratikteki uygulaması. Simetrik kuvvet pedleri, lehimleme sırasında oluşan eğrilmeyi ve yer kaymasını önlemek için simetrik olarak oluşturulmalı ve lehimlenmelidir; bu durum şablon tasarımına ve lehimleme profiline bağlıdır.
• İz element ve bakır kontrolü. Doğru ve tekrarlanabilir bakır geometrisi, kuvvet yolunun ve eşleşen algılama çiftinin, altta yatan yapıya bağlı olarak, tasarlandığı gibi davranmasını sağlar. PCB üretimi kalite.
• Test ve doğrulama. Ölçümün bilinen bir referansa göre doğrulanması hem tasarımı hem de yapıyı teyit eder ve büyük ölçekte tutarlı sonuçlar, süreç kontrolünden gelir. yüksek hacimli PCB düzeneği.

Tasarım ve üretim sorunlarını erken aşamada tespit etmek, bir DFM (Üretilebilirlik için Tasarım) incelemesinin tam olarak amacıdır; bu sayede, üretime başlamadan önce şönt ayak izi, ped dengesi ve sensör yönlendirmesinin üretilebilir olduğundan emin olunur.

Kelvin bağlantısı kavramsal olarak basittir, kuvveti algılamadan ayırır, ancak doğruluğunu ancak ayak izi, algılama ucu, yönlendirme ve üretim süreçleri birlikte çalıştığında sağlar. Bunları doğru yaparsanız, miliohm ve yüksek akımları güvenle ölçebilirsiniz. Highleap Electronics ve hassas ve güçlü montaj yeteneklerimiz hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.

Sıkça Sorulan Sorular

Kelvin bağlantısı nedir?

Akım taşıyan (kuvvet) yolu ile gerilim algılayan (algılama) yolu ayıran dört telli (dört terminalli) bir bağlantı. Algılama yolu elemandaki gerilimi ölçtüğü ve akım taşımadığı için, kablolama ve lehim bağlantı direnci ölçümü bozmaz, bu da doğru düşük direnç ve akım algılamasına olanak tanır.

Neden normal iki telli bağlantı kullanamıyorum?

İki telli bir düzende, aynı bağlantılar hem akımı hem de algılama voltajını taşır, bu nedenle okuma, izler ve lehim bağlantıları üzerindeki gerilim düşüşlerini de içerir. Miliohm seviyesinde bir şönt karşısında, birkaç ondalık miliohm'luk bağlantı direnci %20 veya daha fazla hataya neden olabilir ve sıcaklıkla birlikte değişir.

Şönt üzerindeki sensör hatlarına nereden bağlantı yapmalıyım?

Direncin gövdesinin hemen üzerinde, kuvvet bağlantılarının içinde, böylece algılanan voltaj yalnızca eleman üzerinde olur. Kuvvet yolunun dışından yapılan ölçümler, dışlamaya çalıştığınız bağlantı ve iz direncini yeniden devreye sokarak Kelvin bağlantısının amacını ortadan kaldırır.

Şöntün kuvvet pedlerinin neden simetrik olması gerekiyor?

İki baskı pedindeki bakırın eşit olmaması, lehimleme sırasında ısıyı eşitsiz bir şekilde dağıtır; bu nedenle bir uç diğerinden önce ısınır ve parça kalkabilir veya kayabilir, yani "tombstoning" (parçanın yerine oturması) sorunu yaşanabilir. Simetrik ve dengeli baskı pedleri her iki ucu da eşit şekilde ısıtarak yerleştirmenin doğru olmasını ve bağlantının güvenilir olmasını sağlar.

İki algılama izini nasıl yönlendirmeliyim?

Kısa, birbirine yakın, uzunlukları eşleştirilmiş diferansiyel bir çift olarak, yüksek akım kuvvet yolundan ve anahtarlama düğümlerinden uzakta tutulur ve akım algılama amplifikatörü veya ADC gibi yüksek empedanslı bir girişte sonlandırılır. Küçük eşleştirilmiş seri dirençler, çifti dengesizleştirmeden filtreleme ve koruma sağlar.

Üretim faktörlerinden hangileri Kelvin ölçüm doğruluğunu etkiler?

Tutarlı, düşük dirençli kuvvet bağlantıları; lehimleme sırasında oluşan eğrilmeyi önlemek için kuvvet pedlerinin simetrik lehimlenmesi; kuvvet yolu ve algılama çifti için doğru, tekrarlanabilir bakır geometrisi; ve bir referansa karşı doğrulama. Üretim öncesi yapılan bir DFM incelemesi, ayak izinin ve yönlendirmenin üretilebilir olduğunu doğrular.

Şönt direnç değerini nasıl seçerim?

Amplifikatörünüzün veya ADC'nizin temiz bir şekilde okuyabileceği bir sinyal veren en düşük değeri seçin; bu, güç israfını ve voltaj yükünü en aza indirir. Güç değerinin, tepe akımında I²R'yi güvenli bir şekilde karşıladığını doğrulayın ve şönt ısındıkça okumanın doğru kalması için düşük sıcaklık katsayılı (TCR) bir parça tercih edin.