Jak dokładnie zmierzyć opór prądu stałego (DCR) cewki

W miarę jak wymagania dotyczące rezystancji prądu stałego (DCR) w wysokowydajnych przetwornicach DC-DC oraz modułach zasilania do sztucznej inteligencji nadal spadają do poziomu miliomów lub nawet mikroomów, tradycyjna metoda pomiaru dwuprzewodowa wprowadza błędy zbyt duże, co czyni koniecznym zastosowanie czteroprzewodowej (kelwinowskiej) metody pomiaru. Wielu inżynierów uważa, że pomiar DCR jest prosty i polega jedynie na przyłożeniu sond pomiarowych multimetru lub miernika LCR do badanego elementu. Jednak w rzeczywistych warunkach produkcyjnych często występują problemy, takie jak: niezgodne wyniki pomiarów tego samego dławika uzyskane za pomocą różnych urządzeń pomiarowych, fluktuacje danych spowodowane różnym naciskiem sond pomiarowych oraz znaczne zawyżenie wyników pomiarowych dla dławików o niskiej indukcyjności. Poniżej omówimy przyczyny tych zjawisk.

1 – Zrozumienie istoty rezystancji prądu stałego (DCR) cewki i trudności związanych z jej pomiarem

Opór prądu stałego (DCR) dławika odnosi się do czystej składowej rezystancyjnej, jaką prezentuje uzwojenie dławika przy wzbudzeniu prądem stałym; wynika ona z własnego oporu przewodu miedzianego użytego do wykonania uzwojenia dławika. Parametr ten ma bezpośredni wpływ na sprawność konwersji mocy, odprowadzanie ciepła oraz długotrwałą niezawodność systemu zasilania.

Główną trudnością techniczną dokładnego pomiaru DCR jest fakt, że DCR typowych uzwojeń dławików mieści się zwykle w zakresie od kilku miliohmów do kilkuset miliohmów. Gdy mierzony opór spada do poziomu miliohmów, opór przewodów pomiarowych (zwykle 0,1 Ω–0,5 Ω) oraz opór kontaktowy sond (kilka–kilkadziesiąt miliohmów) w tradycyjnej metodzie pomiaru dwuprzewodowego stają się porównywalne co do wielkości z mierzonym oporem. W konsekwencji wartość zmierzona znacznie odbiega od rzeczywistej wartości.

2 – Metoda czteroprzewodowa Kelvina – podstawowe rozwiązanie eliminujące błędy spowodowane przewodami pomiarowymi

Standardowym rozwiązaniem do pomiaru niskich oporności jest czteroprzewodowe połączenie Kelvina. Technikę tę wynalazł lord William Thomson Kelvin w 1861 roku i nadal stanowi ona metodę odniesienia dla precyzyjnych pomiarów niskich oporności.

2.1 Dlaczego metoda dwuprzewodowa jest niewykonalna

W typowym pomiarze dwuprzewodowym pętla pobudzenia prądem i pętla wykrywania napięcia korzystają z tej samej pary przewodów. Wartość oporności mierzona przez miernik wynosi:

R_pomierzona = R_BADANY + 2 × (R_przewód + R_kontakt)

Gdzie R_przewód to oporność pojedynczego przewodu pomiarowego (zazwyczaj w zakresie od ułamków omów do setek omów), a R_kontakt to oporność kontaktu między sondą a punktem pomiarowym (zakres). Gdy R_BADANY wynosi zaledwie kilka miliohmów, błąd wprowadzony przez oporność przewodów i kontaktów może być nawet dziesięciokrotnie większy od rzeczywistej wartości.

2.2 Podstawowa zasada metody czteroprzewodowej Kelvina

Metoda czteroprzewodowa Kelvina rozwiązuje ten problem, fizycznie oddzielając ścieżkę prądu od ścieżki wykrywania napięcia. Cztery przewody są podzielone na dwie pary, z których każda pełni odrębną funkcję:

◾ Linie wymuszania (linie wzbudzania prądu, 2 przewody): Zastosuj znany, stały prąd stały do badanej cewki. Spadki napięcia mogą występować w tym obwodzie prądowym, ale rezystancja przewodów i rezystancja styku nie wpływają na dokładność wyników pomiaru.

◾ Linie pomiaru (linie wykrywania napięcia, 2 przewody): Nieodpowiednio zmierz rzeczywisty spadek napięcia na końcach cewki (a nie na zaciskach oprzyrządowania pomiarowego). Ponieważ impedancja wejściowa obwodu pomiaru napięcia jest bardzo wysoka (w nowoczesnych przyrządach pomiarowych zwykle > 1 GΩ), prąd płynący przez linie pomiaru dąży do zera. W związku z tym rezystancja przewodów i rezystancja styku nie powodują żadnego istotnego spadku napięcia na liniach pomiarowych.

Zgodnie z prawem Ohma opór prądu stałego (DCR) cewki można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense to napięcie mierzone bezpośrednio na cewce za pomocą przewodów pomiarowych (Sense), bez uwzględnienia spadku napięcia na przewodach łączących; I_Force to znana stała wartość prądu. Dzielenie tych dwóch wartości daje rzeczywistą wartość oporu prądu stałego, która jest całkowicie niezależna od wszystkich oporów styków i przewodów w zewnętrznym obwodzie.

2.3 Ostrzeżenia dotyczące pomiaru czteroprzewodowego

◾ Niezależne Kontakt : Cztery przewody muszą być oddzielnie podłączone do czterech różnych punktów na dwóch elektrodach cewki. W rzeczywistych uchwytach każda elektroda jest stykana jednocześnie przez dwa sondy (Force + Sense), ale wewnątrz uchwytu nie są one ze sobą połączone; spotykają się jedynie na płycie stykowej.

◾ Czystość sondy: Utlenienie płytki lub pozostałości topnika mogą powodować niestabilny opór kontaktu. Choć nie wpływa to na linie pomiarowe (Sense), może to prowadzić do niestabilności w obwodzie prądowym lub nasycenia źródła prądu stałego. Przed pomiarem oczyść płytki alkoholem bezwodnym lub delikatnie przetrzyj je gumką.

3 – Porównawcza weryfikacja danych pomiarowych

Jako przykład przyjęto zasilacz typu power choke do zastosowań AI, dostępny na oficjalnej stronie internetowej firmy CODACA; do testu porównawczego wybrano model CSHN100760-56NN i przeprowadzono pomiary za pomocą trzech powszechnie stosowanych urządzeń pomiarowych: testerów rezystancji prądu stałego, multimetru oraz mostka LCR.

Rysunek 1. Charakterystyki elektryczne zasilacza typu power choke CSHN100760-56NN

Rysunek 2. Tester rezystancji prądu stałego (metoda czteroprzewodowa Kelvina): strefa pomiaru DCR

Rysunek 3. Multimetr (metoda dwuprzewodowa)

Rysunek 4. Mostek LCR (pomiar w uchwycie): strefa pomiaru LCR

Jak pokazano na Rysunku 1, w arkuszu specyfikacji produktu CSHN100760-56NN wartość DCR określona jest jako maksymalnie 0,22 mΩ. Wynik pomiaru uzyskany za pomocą miernika rezystancji stałoprądowej (czteroprzewodowa metoda Kelvina) wynosi 0,196 mΩ, co spełnia wymagania zawarte w arkuszu specyfikacji; rzeczywisty wynik pomiaru przedstawiono na Rysunku 2. W przypadku zastosowania typowego multimetru (dwuprzewodowa metoda pomiaru) z zakresem ustawionym na podstawowy zakres pomiaru rezystancji 200 Ω, zapewniającym rozdzielczość 0,1 Ω, uzyskano wynik 600 mΩ, który nie spełnia wymagań specyfikacji, jak pokazano na Rysunku 3. Przy użyciu mostka LCR (pomiar przy użyciu oprzyrządowania), ustawionego na zakres DCR i po wykonaniu korekcji zerowej, uzyskano wynik 0,387 mΩ – wartość bliższa docelowej, ale nadal nie spełniającej wymagań specyfikacji.

W związku z tym, aby zapewnić dokładność wyników pomiarów, przy wykonywaniu pomiarów DCR na elementach magnetycznych, takich jak cewki indukcyjne, preferowanym rozwiązaniem jest zastosowanie dedykowanego miernika rezystancji stałoprądowej (czteroprzewodowa metoda Kelvina).