با کاهش نیازمندیهای مقاومت مستقیم (DCR) در مبدلهای DC-DC با عملکرد بالا و ماژولهای تغذیه هوش مصنوعی به سطح میلیاهم یا حتی میکرواهم، روش سنتی دو سیمه خطاهایی ایجاد میکند که بسیار بزرگ است و لزوم بهکارگیری روش اتصال چهار سیمه (کلوین) برای اندازهگیری را ضروری میسازد. بسیاری از مهندسان معتقدند که اندازهگیری DCR ساده است و فکر میکنند که تنها با قرار دادن قطعه روی سریهای آزمایشی مولتیمتر یا دستگاه LCR انجام میشود. با این حال، در تولید واقعی، مشکلات متعددی اغلب رخ میدهد؛ از جمله: خواندنهای ناسازگان بین چند دستگاه مختلف برای یک سیمپیچ مشخص، نوسان دادهها به دلیل تغییر فشار واردشده توسط سریهای آزمایشی، و افزایش شدید دادههای اندازهگیری برای سیمپیچهای با اندوکتانس پایین. در ادامه به بررسی علل بنیادین این مشکلات میپردازیم.
۱- درک ماهیت مقاومت مستقیم سیمپیچ (DCR) و دشواریهای اندازهگیری آن
مقاومت مستقیم (DCR) یک سیمپیچ به مؤلفهٔ خالص مقاومتی اشاره دارد که توسط پیچش سیمپیچ در شرایط تحریک جریان مستقیم ارائه میشود و این مقاومت از مقاومت ذاتی سیم مسی بهکاررفته برای پیچیدن سیمپیچ ناشی میشود. این پارامتر بهطور مستقیم بازده تبدیل انرژی، دفع حرارت و قابلیت اطمینان بلندمدت سیستم تغذیه را تعیین میکند.
دشواری فنی اصلی در اندازهگیری دقیق DCR این است که مقاومت DCR پیچشهای رایج سیمپیچ معمولاً بین چند میلیاهم تا چند صد میلیاهم متغیر است. هنگامی که مقاومت مورد اندازهگیری به سطح میلیاهم کاهش مییابد، مقاومت خود سیمهای آزمایشی (معمولاً ۰٫۱ تا ۰٫۵ اهم) و مقاومت تماس نوک پروب (چند میلیاهم تا دهها میلیاهم) در روش سنتی اندازهگیری دو سیمه، از همان مرتبهٔ بزرگی با مقاومت مورد اندازهگیری هستند. در نتیجه، مقدار اندازهگیریشده بهشدت از مقدار واقعی انحراف پیدا میکند.
۲- روش چهارسیمه کلوین: راهحل اساسی برای حذف خطاهای ناشی از سیمهای اتصال
راهحل استاندارد برای اندازهگیری مقاومتهای کم، اتصال چهارسیمه کلوین است. این تکنیک در سال ۱۸۶۱ توسط لرد ویلیام تامسون کلوین اختراع شد و هماکنون نیز بهعنوان روش مرجع برای اندازهگیری دقیق مقاومتهای کم محسوب میشود.
۲.۱ چرا روش دو سیمه غیرقابل اجراست
در یک اندازهگیری معمولی دو سیمه، حلقه تحریک جریان و حلقه تشخیص ولتاژ از یک جفت سیم مشترک استفاده میکنند. مقدار مقاومت اندازهگیریشده توسط دستگاه عبارت است از:
R_measured = R_DUT + 2 × (R_lead + R_contact)
که در آن R_lead مقاومت یک سیم آزمایشی منفرد (معمولاً در محدوده چند میلیاهم تا صدها میلیاهم) و R_contact مقاومت تماسی بین پروب و نقطه آزمایش (در محدوده چند میلیاهم تا دهها میلیاهم) است. وقتی R_DUT تنها چند میلیاهم باشد، خطای ناشی از مقاومت سیمها و مقاومت تماسی میتواند تا دهها برابر مقدار واقعی باشد.
2.2 اصل اساسی روش چهارسیمه کلوین
روش چهارسیمه کلوین این مسئله را با جداسازی فیزیکی مسیر جریان از مسیر تشخیص ولتاژ برطرف میکند. این چهار سیم به دو جفت تقسیم میشوند که هر کدام کاربرد مشخصی دارند:
◾ خطوط اعمال نیرو (خطوط تحریک جریان، ۲ سیم): جریان مستقیم (DC) ثابت و شناختهشدهای را به سیمپیچ مورد آزمون اعمال میکنیم. افت ولتاژ ممکن است در این حلقه جریان رخ دهد، اما مقاومت سیمهای اتصال و مقاومت تماس بر دقت نتایج اندازهگیری تأثیری ندارند.
◾ خطوط تشخیص (خطوط اندازهگیری ولتاژ، ۲ سیم): افت ولتاژ واقعی بین دو سر سیمپیچ را بهصورت مستقل اندازهگیری میکنیم (نه در ترمینالهای فیکسچر آزمون). ازآنجاکه امپدانس ورودی حلقه تشخیص ولتاژ بسیار بالاست (معمولاً بیش از ۱ گیگااهم در ابزارهای مدرن آزمون)، جریان عبوری از خطوط تشخیص تقریباً صفر است. بنابراین، مقاومت سیمهای اتصال و مقاومت تماس هیچ افت ولتاژ قابلتوجهی در خطوط تشخیص ایجاد نمیکنند.
بر اساس قانون اُهم، مقاومت مستقیم جریان (DCR) سیمپیچ با استفاده از فرمول زیر قابل محاسبه است:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense ولتاژ دو سر سیمپیچ است که بهطور مستقیم توسط خطوط حس (Sense) اندازهگیری میشود و شامل افت ولتاژ ناشی از سیمهای اتصال نمیباشد؛ و I_Force جریان ثابت شناختهشدهای است. تقسیم این دو مقدار، مقدار واقعی مقاومت مستقیم جریان را ارائه میدهد که کاملاً مستقل از تمام مقاومتهای تماس و سیمهای اتصال در حلقه خارجی است.
2.3 احتیاطات اندازهگیری چهارسیمه
◾ مستقل تماس : چهار سیم باید بهصورت جداگانه به چهار نقطه مجزا روی دو الکترود سیمپیچ متصل شوند. در ابعاد عملی فیکسچرها، هر الکترود توسط دو پروب بهطور همزمان (Force + Sense) لمس میشود، اما این دو پروب درون فیکسچر بههم متصل نیستند؛ بلکه تنها در صفحه تماس (contact pad) بههم میرسند.
◾ تمیزی پروب: اکسیداسیون پد یا باقیمانده فلکس میتواند مقاومت تماس ناپایدار ایجاد کند. اگرچه این موضوع خطوط سنس را تحت تأثیر قرار نمیدهد، اما ممکن است باعث ناپایداری در حلقه جریان یا اشباع منبع جریان ثابت شود. قبل از اندازهگیری، پدها را با الکل بیآب تمیز کنید یا بهطور ملایم با پاککن پاک کنید.
۳- تأیید مقایسهای دادههای آزمون
بهعنوان مثالی از وبسایت رسمی شرکت CODACA، سیمپیچ قدرتی مولدهشده برای کاربردهای هوش مصنوعی انتخاب شده و مدل CSHN100760-56NN با استفاده از سه دستگاه رایج در بازار — یعنی دستگاه اندازهگیری مقاومت مستقیم (DCR)، مولتیمتر و پل LCR — مورد آزمایش مقایسهای قرار گرفته است.
شکل ۱. مشخصات الکتریکی سیمپیچ قدرتی مولدهشده CSHN100760-56NN
شکل ۲. دستگاه اندازهگیری مقاومت مستقیم (روش چهارسیمه کلوین): ناحیه آزمایش DCR
شکل ۳. مولتیمتر (روش دو سیمه)
شکل ۴. پل LCR (آزمایش با فیکسچر): ناحیه آزمایش LCR
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، ورق مشخصات برای CSHN100760-56NN DCR را به عنوان 0.22mΩ Max تعریف می کند. نتیجه آزمایش با استفاده از تست کننده مقاومت DC (روش چهار سیم کلوین) 0.196mΩ است، که الزامات ورق مشخصات را برآورده می کند، با نتیجه اندازه گیری واقعی در صورت استفاده از یک مولتی متر معمول (طریقه دو سیم) با محدوده تنظیم شده به محدوده اندازه گیری مقاومت پایه 200Ω،که یک وضوح 0.1Ω را فراهم می کند،نتایج آزمایش 600mΩ است،که الزامات مشخصات را برآورده نمی کند،همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. در صورت استفاده از پل LCR (بررسی تثبیت) تنظیم شده به محدوده DCR و سپس اصلاح صفر، نتیجه آزمایش 0.387mΩ است که به مقدار هدف نزدیکتر است اما هنوز هم الزامات مشخصات را برآورده نمی کند.
در نتیجه، برای اطمینان از دقت نتایج آزمایش، یک آزمایش کننده مقاومت DC اختصاصی (روش چهار سیم کلوین) هنگام انجام آزمایش های DCR بر روی اجزای مغناطیسی مانند محرک ها ترجیح داده می شود.
EN