Come misurare con precisione la resistenza in corrente continua (DCR) di un induttore

Poiché i requisiti per la resistenza in corrente continua (DCR) nei convertitori CC-CC ad alte prestazioni e nei moduli di alimentazione per l'IA continuano a diminuire fino al livello del milliohm o addirittura del microohm, il tradizionale metodo a due fili introduce errori eccessivamente elevati, rendendo necessario adottare un metodo di misurazione a quattro fili (Kelvin). Molti ingegneri ritengono che la misurazione della DCR sia semplice e pensano che possa essere effettuata semplicemente collegando il componente con i cavi di prova di un multimetro o di un analizzatore LCR. Tuttavia, nella produzione reale sorgono frequentemente problemi quali: letture non coerenti tra diversi strumenti per lo stesso induttore, fluttuazioni dei dati dovute a una pressione variabile esercitata sui cavi di prova e valori di misurazione fortemente sovrastimati per induttori a bassa induttanza. Esaminiamo di seguito le cause alla radice di tali problemi.

1- Comprendere la natura della resistenza in continua dell'induttore (DCR) e le difficoltà di misurazione

La resistenza in corrente continua (DCR) di un induttore indica la componente puramente resistiva offerta dall'avvolgimento dell'induttore sotto eccitazione in corrente continua, che deriva dalla resistenza intrinseca del filo di rame utilizzato per realizzare l'avvolgimento. Questo parametro determina direttamente l'efficienza di conversione della potenza, la dissipazione termica e l'affidabilità a lungo termine del sistema di alimentazione.

La principale difficoltà tecnica nella misurazione accurata della DCR risiede nel fatto che la DCR degli avvolgimenti di induttori comuni si colloca tipicamente tra pochi milliohm e diverse centinaia di milliohm. Quando la resistenza da misurare scende al livello dei milliohm, la resistenza stessa dei cavi di prova (tipicamente compresa tra 0,1 Ω e 0,5 Ω) e la resistenza di contatto delle sonde (da alcuni milliohm a decine di milliohm) nella tradizionale misurazione a due fili diventano già dello stesso ordine di grandezza della resistenza in esame. Di conseguenza, il valore misurato risulterà fortemente discostato dal valore reale.

2- Metodo Kelvin a quattro fili: la soluzione fondamentale per eliminare gli errori dovuti ai cavi di collegamento

La soluzione standard per la misura di basse resistenze è il collegamento Kelvin a quattro fili. Questa tecnica fu inventata da Lord William Thomson Kelvin nel 1861 ed è tuttora il metodo di riferimento per misure precise di basse resistenze.

2.1 Perché il metodo a due fili non è applicabile

In una comune misura a due fili, il circuito di eccitazione della corrente e il circuito di rilevamento della tensione condividono la stessa coppia di cavi. Il valore di resistenza misurato dal multimetro è:

R_misurata = R_DUT + 2 × (R_cavo + R_contatto)

Dove R_cavo è la resistenza di un singolo cavo di prova (tipicamente nell’ordine di milliohms fino a centinaia di milliohms) e R_contatto è la resistenza di contatto tra la sonda e il punto di misura (nell’ordine di milliohms). Quando R_DUT è solo di qualche milliohm, l’errore introdotto dalle resistenze dei cavi e di contatto può essere fino a decine di volte il valore reale.

2.2 Principio fondamentale del metodo Kelvin a quattro fili

Il metodo Kelvin a quattro fili risolve questo problema separando fisicamente il percorso della corrente da quello di rilevamento della tensione. I quattro fili sono suddivisi in due coppie, ciascuna con una funzione distinta:

◾ Linee di forza (linee di eccitazione di corrente, 2 fili): Applicare una corrente continua nota e costante all’induttore in esame. Potrebbero verificarsi cadute di tensione lungo questo circuito di corrente, ma la resistenza dei cavi di collegamento e la resistenza di contatto non influenzano l’accuratezza dei risultati di misura.

◾ Linee di rilevamento (linee di rilevamento della tensione, 2 fili): Misurare in modo indipendente la vera caduta di tensione ai capi dell’induttore (anziché ai morsetti del supporto di prova). Poiché l’impedenza di ingresso del circuito di rilevamento della tensione è estremamente elevata (negli strumenti di misura moderni tipicamente >1 GΩ), la corrente che scorre attraverso le linee di rilevamento si avvicina a zero. Di conseguenza, la resistenza dei cavi di collegamento e la resistenza di contatto non generano alcuna caduta di tensione significativa sulle linee di rilevamento.

Secondo la legge di Ohm, la resistenza in corrente continua (DCR) dell'induttore può essere calcolata mediante la seguente formula:

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense è la tensione misurata direttamente ai capi dell'induttore tramite i cavi Sense, senza includere alcuna caduta di tensione dovuta ai collegamenti; I_Force è una corrente costante nota. Il rapporto tra queste due grandezze fornisce il valore reale della resistenza in corrente continua, completamente indipendente da tutte le resistenze di contatto e dei collegamenti nel circuito esterno.

2.3 Precauzioni per la misura a quattro fili

◾ Indipendente CONTATTO : I quattro fili devono contattare separatamente quattro punti distinti sui due elettrodi dell’induttore. Nelle vere apparecchiature di misura, ciascun elettrodo è contattato simultaneamente da due sonde (Force + Sense), ma queste non sono collegate tra loro all’interno dell’apparecchiatura; si uniscono soltanto sul pad di contatto.

◾ Pulizia della sonda: L’ossidazione del pad o il flusso residuo possono generare una resistenza di contatto instabile. Sebbene ciò non influisca sulle linee Sense, può causare instabilità nel circuito di corrente o saturare la sorgente di corrente costante. Prima della misurazione, pulire i pad con alcol anidro o asciugarli delicatamente con una gomma.

3- Verifica comparativa dei dati di prova

Prendendo come esempio l’induttore per alimentazione modellato per applicazioni AI dal sito web ufficiale di CODACA, è stato selezionato il modello CSHN100760-56NN per un test comparativo effettuato con tre strumenti comuni disponibili sul mercato: un tester di resistenza in corrente continua, un multimetro e un ponte LCR.

Figura 1. Caratteristiche elettriche dell’induttore per alimentazione modellato CSHN100760-56NN

Figura 2. Tester di resistenza in corrente continua (metodo Kelvin a quattro fili): zona di misura della resistenza in corrente continua (DCR)

Figura 3. Multimetro (metodo a due fili)

Figura 4. Ponte LCR (test con fixture): zona di misura LCR

Come illustrato nella Figura 1, il foglio delle specifiche per CSHN100760-56NN definisce la DCR come massimo 0,22 mΩ. Il risultato della prova effettuata con il tester per resistenza in corrente continua (metodo Kelvin a quattro fili) è pari a 0,196 mΩ, che soddisfa i requisiti indicati nel foglio delle specifiche; il risultato effettivo della misurazione è riportato nella Figura 2. Utilizzando invece un comune multimetro (metodo a due fili), con la portata impostata sulla scala base di misura della resistenza di 200 Ω — che offre una risoluzione di 0,1 Ω — il risultato della prova è pari a 600 mΩ, non conforme ai requisiti specificati, come mostrato nella Figura 3. Quando si utilizza un ponte LCR (prova con fixture), impostato sulla portata DCR e successivamente corretto a zero, il risultato della prova è pari a 0,387 mΩ: tale valore è più vicino al valore target, ma non soddisfa comunque i requisiti specificati.

Di conseguenza, per garantire l’accuratezza dei risultati delle prove, è preferibile utilizzare un tester dedicato per la resistenza in corrente continua (metodo Kelvin a quattro fili) per eseguire le prove DCR su componenti magnetici quali gli induttori.