So messen Sie den Gleichstromwiderstand (DCR) einer Drosselspule genau

Da die Anforderungen an den Gleichstromwiderstand (DCR) bei Hochleistungs-DC-DC-Wandlern und KI-Stromversorgungsmodulen weiterhin auf Milliohm- oder sogar Mikroohm-Niveau sinken, führt die traditionelle Zweidraht-Messmethode zu zu großen Fehlern, weshalb eine Vierdraht-(Kelvin-)Anschlussmethode für die Messung erforderlich ist. Viele Ingenieure glauben, dass die DCR-Messung einfach sei und man sie lediglich durch Anschließen des Bauelements mit den Prüfleitungen eines Multimeters oder eines LCR-Messgeräts durchführen könne. In der praktischen Produktion treten jedoch häufig Probleme auf, beispielsweise: inkonsistente Messwerte desselben Drosselspeichers an verschiedenen Messgeräten, Schwankungen der Messdaten aufgrund unterschiedlichen Andrucks der Prüfleitungen sowie stark überhöhte Messwerte bei Drosselspeichern mit geringer Induktivität. Im Folgenden untersuchen wir die zugrundeliegenden Ursachen.

1 – Verständnis des Wesens des Induktivität-DCWiderstands und der Messschwierigkeiten

Der Gleichstromwiderstand (DCR) einer Drossel bezieht sich auf die rein ohmsche Komponente, die die Wicklung der Drossel bei Gleichstromerregung aufweist und die sich aus dem intrinsischen Widerstand des zur Wicklung der Drossel verwendeten Kupferdrahtes ergibt. Dieser Parameter bestimmt unmittelbar den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung, die Wärmeableitung sowie die Langzeitzuverlässigkeit des Stromversorgungssystems.

Die zentrale technische Schwierigkeit bei der genauen Messung des DCR liegt darin, dass der DCR üblicher Drosselwicklungen typischerweise zwischen wenigen Milliohm und mehreren hundert Milliohm liegt. Sobald der zu messende Widerstand in den Milliohm-Bereich fällt, liegen der Widerstand der Messleitungen selbst (typischerweise 0,1 Ω bis 0,5 Ω) und der Übergangswiderstand der Prüfspitzen (einige Milliohm bis zu mehreren zehn Milliohm) bei der herkömmlichen Zweidraht-Messung bereits in derselben Größenordnung wie der zu messende Widerstand. Dadurch weicht der gemessene Wert erheblich vom wahren Wert ab.

2 – Kelvin-Vierleitersystem – die grundlegende Lösung zur Eliminierung von Leitungsfehlern

Die Standardlösung für die Messung niedriger Widerstände ist die Kelvin-Vierleiterschaltung. Diese Methode wurde 1861 von Lord William Thomson Kelvin erfunden und gilt bis heute als Referenzverfahren für präzise Messungen niedriger Widerstände.

2.1 Warum die Zweileitermethode nicht anwendbar ist

Bei einer üblichen Zweileitermessung teilen sich die Stromspeisungsschleife und die Spannungserfassungsschleife dasselbe Leitungspaar. Der vom Messgerät ermittelte Widerstandswert lautet:

R_gemessen = R_PRÜFLING + 2 × (R_Leitung + R_Kontakt)

Dabei ist R_Leitung der Widerstand einer einzelnen Messleitung (typischerweise im Bereich von einigen Milliohm bis zu mehreren hundert Milliohm) und R_Kontakt der Kontaktwiderstand zwischen der Sonde und der Messstelle (Bereich). Wenn R_PRÜFLING nur wenige Milliohm beträgt, kann der durch Leitungs- und Kontaktwiderstände verursachte Fehler bis zu mehrfach den tatsächlichen Wert ausmachen.

2.2 Grundprinzip der Kelvin-Vierleiterschaltung

Die Kelvin-Messmethode mit vier Leitungen löst dieses Problem, indem sie den Strompfad physisch vom Spannungserfassungspfad trennt. Die vier Leitungen sind in zwei Paare unterteilt, von denen jedes einen spezifischen Zweck erfüllt:

◾ Stromzuführungsleitungen (Stromanregungsleitungen, 2 Leitungen): Ein bekannter, konstanter Gleichstrom wird auf die zu prüfende Induktivität gelegt. Spannungsabfälle können in dieser Stromschleife auftreten, doch beeinflussen Widerstand und Kontaktwiderstand der Anschlussleitungen nicht die Genauigkeit des Messergebnisses.

◾ Messleitungen (Spannungserfassungsleitungen, 2 Leitungen): Die tatsächliche Spannung über beide Enden der Induktivität wird unabhängig gemessen (und nicht an den Klemmen der Prüfvorrichtung). Da die Eingangsimpedanz der Spannungserfassungsschleife extrem hoch ist (moderne Prüfgeräte typischerweise >1 GΩ), fließt durch die Messleitungen nahezu kein Strom. Daher erzeugen Widerstand und Kontaktwiderstand der Messleitungen keinen nennenswerten Spannungsabfall.

Gemäß dem Ohmschen Gesetz kann der Gleichstromwiderstand (DCR) der Drossel mit folgender Formel berechnet werden:

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense ist die Spannung über der Drossel, die direkt über die Sense-Leitungen gemessen wird, ohne jeglichen Spannungsabfall an den Zuleitungen einzuschließen; I_Force ist ein bekannter konstanter Strom. Die Division dieser beiden Größen ergibt den tatsächlichen Gleichstromwiderstand, der vollständig unabhängig von allen Kontakt- und Leitungswiderständen in der externen Schleife ist.

2.3 Vier-Draht-Messung – Vorsichtsmaßnahmen

◾ Unabhängig Kontakt : Die vier Drähte müssen jeweils vier unterschiedliche Punkte auf den beiden Elektroden der Drossel kontaktieren. In praktischen Prüfvorrichtungen wird jede Elektrode gleichzeitig von zwei Tastköpfen kontaktiert (Force + Sense), wobei diese beiden jedoch innerhalb der Vorrichtung nicht miteinander verbunden sind; sie vereinigen sich erst am Kontaktfeld.

◾ Probensäuberkeit: Eine Oxidation der Pads oder Restflussmittel können einen instabilen Kontaktwiderstand erzeugen. Dies wirkt sich zwar nicht auf die Sense-Leitungen aus, kann jedoch zu Instabilität in der Stromschleife führen oder die Konstantstromquelle in den Sättigungsbereich treiben. Vor der Messung die Pads mit wasserfreiem Alkohol reinigen oder vorsichtig mit einem Radiergummi abwischen.

3 – Vergleichende Verifizierung der Messdaten

Als Beispiel wird der für KI-Anwendungen konzipierte geformte Leistungs-Drossel von CODACA von der offiziellen Website des Unternehmens herangezogen; das Modell CSHN100760-56NN wurde für einen Vergleichstest mit drei gängigen Messgeräten auf dem Markt ausgewählt: einem Gleichstromwiderstandsmesser, einem Multimeter und einer LCR-Messbrücke.

Abbildung 1: Elektrische Kennwerte der geformten Leistungs-Drossel CSHN100760-56NN

Abbildung 2: Gleichstromwiderstandsmesser (Kelvin-Vierleitersystem): Messbereich für DCR

Abbildung 3: Multimeter (Zweileitersystem)

Abbildung 4: LCR-Messbrücke (Prüfvorrichtung): Messbereich für LCR

Wie in Abbildung 1 dargestellt, definiert das Datenblatt für CSHN100760-56NN den DCR-Wert mit „0,22 mΩ max.“ Der Messwert des Gleichstromwiderstandstesters (Kelvin-Vierleitersystem) beträgt 0,196 mΩ und erfüllt somit die Anforderungen des Datenblatts; das tatsächliche Messergebnis ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei Verwendung eines handelsüblichen Multimeters (Zweileitersystem) im Grundbereich für Widerstandsmessung von 200 Ω – mit einer Auflösung von 0,1 Ω – ergibt sich ein Messwert von 600 mΩ, der die Anforderungen des Datenblatts nicht erfüllt, wie in Abbildung 3 gezeigt. Bei Verwendung der LCR-Messbrücke (mit Prüfvorrichtung) im DCR-Bereich nach Durchführung einer Nullabgleichs-Korrektur beträgt der Messwert 0,387 mΩ; dieser Wert liegt zwar näher am Sollwert, erfüllt jedoch immer noch nicht die Anforderungen des Datenblatts.

Um daher die Genauigkeit der Messergebnisse sicherzustellen, wird bei DCR-Messungen an magnetischen Komponenten wie Induktivitäten ein spezieller Gleichstromwiderstandstester (Kelvin-Vierleitersystem) bevorzugt.