兩種測(cè)量電阻的方法 開(kāi)爾文連接的應(yīng)用

開(kāi)爾文連接也稱(chēng)“ 四線連接法 ”，是以英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵(威廉. 湯姆森)命名的連接方法。

湯姆森在采用傳統(tǒng)“兩線連接法”測(cè)量小電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于引線電阻和接觸阻抗的存在，測(cè)量結(jié)果往往存在較大誤差，于是發(fā)明了“四線連接法”以提高測(cè)量精度。

兩種測(cè)量電阻的方法

1. 兩線連接法

根據(jù) 歐姆定律 (Ohm's Law)，穿過(guò)某一導(dǎo)體兩端的電流與施加在其兩端的電壓成正比。 因此，為了測(cè)量某個(gè)電阻的阻值，需要在電阻兩端施加一個(gè)電流激勵(lì)源 ，然后測(cè)量其兩端電壓，依此計(jì)算阻值。

圖1 兩線連接法

上圖是兩線接法的實(shí)物圖和原理圖，其中R是被測(cè)電阻，Rl是引線電阻，Rc是接觸阻抗。

當(dāng)被測(cè)量的電阻阻值較大時(shí)(幾k或幾十k)，引線電阻和接觸阻抗可以忽略不記。

然而兩線連接法的缺點(diǎn)在于，當(dāng)被測(cè)電阻R的阻值較小(<1歐姆)時(shí)，Rl和Rc便不可忽略，由U/I計(jì)算出的阻值實(shí)際為被測(cè)電阻、引線電阻和接觸阻抗之和，即R+2*(Rl+Rc)，測(cè)量結(jié)果存在較大偏差。

2. 四線連接法(開(kāi)爾文接法)

四線連接法特別適用于小于1歐姆的電阻阻值測(cè)量，即電壓回路和電流回路相互分離，兩線用于測(cè)量電阻兩端電壓，另外兩線用于激勵(lì)源電流回路。

圖2 四線連接法(開(kāi)爾文接法)

四線連接法使用的夾子稱(chēng)為“ 開(kāi)爾文夾 (Kelvin clips)”，每個(gè)夾子有兩根引線，一根用于電壓測(cè)量，另外一根用于電流回路。 由于電壓表為高阻態(tài) ，電壓回路中引線電阻和接觸阻抗產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)，此時(shí)測(cè)量的電壓較為精準(zhǔn)。

開(kāi)爾文接法不僅用于小電阻阻值測(cè)量，在電力電子技術(shù)和電路設(shè)計(jì)中，開(kāi)爾文接法有較廣泛的應(yīng)用。

開(kāi)爾文連接的應(yīng)用

1. 電流采樣

在電路設(shè)計(jì)中，使用最廣泛的電流采樣方法是在電流回路中 串聯(lián)高精度的電阻 ，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓計(jì)算回路的電流值大小。

考慮到電阻損耗的影響，通常采用小于1歐姆的電阻。 這種場(chǎng)景下，開(kāi)爾文接法能夠提高采樣精度。

圖3 采用開(kāi)爾文接法的電流采樣

在PCB設(shè)計(jì)中，要特別注意 采樣引線與功率走線分離 ，避免由于走線阻抗影響采樣精度。

如下是錯(cuò)誤的走線方式，采樣端口并沒(méi)有從采樣電阻兩端引出，在功率走線電流較大時(shí)，引線阻抗不可忽略，產(chǎn)生采樣誤差。

圖4 錯(cuò)誤的PCB Layout方式

2. 開(kāi)關(guān)管的開(kāi)爾文腳設(shè)計(jì)

所謂開(kāi)關(guān)管即MOSFET，是開(kāi)關(guān)電源中的核心器件之一。 如下是增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管，分為 漏極(Drain) 、 源極(Source) 和柵極(Gate) 。 柵極為驅(qū)動(dòng)引腳，當(dāng)柵源極為高電平時(shí)，漏源極導(dǎo)通; 當(dāng)柵源極為低電平時(shí)，漏源極關(guān)斷。 因此，源極是控制回路和功率回路的共用通路。

在電路工作中，若MOS管的引腳較長(zhǎng)(寄生參數(shù)較大)且不進(jìn)行功率回路和控制回路隔離，很有可能產(chǎn)生 信號(hào)串?dāng)_ ，導(dǎo)致 開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通 ，電路異常甚至失效等問(wèn)題。 為了避免這一問(wèn)題，一些廠商在MOS管封裝上增加了“開(kāi)爾文腳”，開(kāi)爾文腳為驅(qū)動(dòng)回路額外提供了一個(gè)源極引腳，從而避免與功率回路源極產(chǎn)生串?dāng)_。

如下是兩種Layout方式。

圖5 沒(méi)有開(kāi)爾文腳(左)和有開(kāi)爾文腳(右)的Layout

圖6 具有開(kāi)爾文腳的MOSFET (Innoscience)

在沒(méi)有開(kāi)爾文腳的Layout中，驅(qū)動(dòng)回路，反饋回路以及功率回路共地，功率回路的寄生電感不僅影響柵極的導(dǎo)通速度，還會(huì)影響反饋信號(hào);

而采用開(kāi)爾文腳的Layout，三個(gè)回路相互解耦，即 單點(diǎn)接地 ，三個(gè)回路互不干擾。

需要注意的是，并非所有開(kāi)關(guān)電源拓?fù)涠歼m用開(kāi)爾文腳的MOSFET，如采用QR反激的電源產(chǎn)品。 常用的QR反激的控制方式為 峰值電流控制，PWM控制器通過(guò)MOS管源極采樣電阻讀取峰值電流。 若采用開(kāi)爾文接法，則驅(qū)動(dòng)信號(hào)與PWM控制器無(wú)法共地。 對(duì)于這種情況，應(yīng)將開(kāi)爾文腳與源極短接。

圖7 QR反激無(wú)法使用開(kāi)爾文連接