Como Medir com Precisão a DCR do Indutor

À medida que os requisitos para a resistência em corrente contínua (DCR) em conversores CC-CC de alto desempenho e módulos de alimentação para IA continuam diminuindo até o nível de miliohm ou mesmo microohm, o método tradicional de medição com dois fios introduz erros excessivamente grandes, tornando necessário adotar um método de conexão de quatro fios (Kelvin) para a medição. Muitos engenheiros acreditam que a medição da DCR é simples, pensando que pode ser feita simplesmente prendendo o componente com as ponteiras de teste de um multímetro ou de um medidor LCR. No entanto, na produção real, surgem frequentemente problemas, tais como: leituras inconsistentes entre diversos instrumentos para o mesmo indutor, flutuações nos dados devido à pressão variável exercida sobre as ponteiras de teste e dados de medição fortemente superestimados em indutores de baixa indutância. A seguir, exploraremos as causas subjacentes desses problemas.

1 – Compreendendo a essência do DCR do indutor e as dificuldades de medição

A resistência em corrente contínua (DCR) de um indutor refere-se ao componente puramente resistivo apresentado pelo enrolamento do indutor sob excitação em corrente contínua, que origina-se da resistência intrínseca do fio de cobre utilizado para enrolar o indutor. Esse parâmetro determina diretamente a eficiência de conversão de potência, a dissipação térmica e a confiabilidade a longo prazo do sistema de potência.

A principal dificuldade técnica na medição precisa da DCR reside no fato de que a DCR dos enrolamentos de indutores comuns situa-se tipicamente entre alguns miliohms e várias centenas de miliohms. Quando a resistência a ser medida cai para o nível de miliohms, a resistência dos próprios cabos de teste (tipicamente 0,1 Ω a 0,5 Ω) e a resistência de contato das ponteiras (alguns miliohms a dezenas de miliohms) na medição tradicional de dois fios já são da mesma ordem de grandeza que a resistência sob teste. Consequentemente, o valor medido desviará fortemente do valor real.

2 – Método de quatro fios Kelvin: a solução fundamental para eliminar erros de conexão

A solução padrão para medição de baixa resistência é a conexão Kelvin de quatro fios. Essa técnica foi inventada pelo Lorde William Thomson Kelvin em 1861 e continua sendo o método de referência para medições precisas de baixa resistência até hoje.

2.1 Por que o método de dois fios é inviável

Em uma medição comum de dois fios, o laço de excitação de corrente e o laço de detecção de tensão compartilham o mesmo par de cabos. O valor de resistência medido pelo instrumento é:

R_medida = R_DUT + 2 × (R_cabo + R_contato)

Onde R_cabo é a resistência de um único cabo de teste (normalmente na faixa de miliohms a centenas de miliohms) e R_contato é a resistência de contato entre a sonda e o ponto de teste (na faixa de miliohms). Quando R_DUT é apenas de alguns miliohms, o erro introduzido pelas resistências dos cabos e de contato pode ser até dezenas de vezes maior que o valor real.

2.2 Princípio Central do Método Kelvin de Quatro Fios

O método Kelvin de quatro fios resolve esse problema separando fisicamente o caminho da corrente do caminho de detecção de tensão. Os quatro fios são divididos em dois pares, cada um com uma finalidade distinta:

◾ Linhas de força (linhas de excitação de corrente, 2 fios): Aplicar uma corrente contínua conhecida e constante ao indutor sob teste. Quedas de tensão podem existir nesse laço de corrente, mas a resistência dos cabos e a resistência de contato não afetam a precisão dos resultados da medição.

◾ Linhas de detecção (linhas de detecção de tensão, 2 fios): Medir independentemente a queda de tensão real nas duas extremidades do indutor (em vez de nos terminais do suporte de teste). Como a impedância de entrada do laço de detecção de tensão é extremamente alta (instrumentos de teste modernos tipicamente > 1 GΩ), a corrente que flui pelas linhas de detecção aproxima-se de zero. Assim, a resistência dos cabos e a resistência de contato não geram nenhuma queda de tensão significativa nas linhas de detecção.

De acordo com a Lei de Ohm, a resistência em corrente contínua (DCR) do indutor pode ser calculada pela seguinte fórmula:

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense é a tensão através do indutor medida diretamente pelas linhas Sense, sem incluir qualquer queda de tensão nas conexões; I_Force é uma corrente constante conhecida; a divisão desses dois valores fornece o valor real da resistência em corrente contínua, que é totalmente independente de todas as resistências de contato e de conexão no circuito externo.

2.3 Precauções para Medição de Quatro Fios

◾ Independente CONTATO : Os quatro fios devem entrar em contato separadamente com quatro pontos distintos nos dois eletrodos do indutor. Na prática, em dispositivos de fixação, cada eletrodo é tocado simultaneamente por duas sondas (Force + Sense), mas essas duas sondas não estão conectadas internamente no dispositivo; elas apenas se unem no ponto de contato.

◾ Limpeza da sonda: A oxidação do pad ou o fluxo residual podem gerar uma resistência de contato instável. Embora isso não afete as linhas Sense, pode causar instabilidade no laço de corrente ou saturar a fonte de corrente constante. Antes da medição, limpe os pads com álcool anidro ou passe suavemente uma borracha sobre eles.

3 - Verificação comparativa dos dados de teste

Tomando como exemplo o Choke de Potência Moldado para aplicações de IA do site oficial da CODACA, o modelo CSHN100760-56NN foi selecionado para um teste comparativo utilizando três instrumentos comuns no mercado: um medidor de resistência CC, um multímetro e uma ponte LCR.

Figura 1. Características elétricas do Choke de Potência Moldado CSHN100760-56NN

Figura 2. Medidor de resistência CC (método Kelvin de quatro fios): zona de teste de DCR

Figura 3. Multímetro (método de dois fios)

Figura 4. Ponte LCR (teste com fixação): zona de teste LCR

Como mostrado na Figura 1, a folha de especificações do CSHN100760-56NN define a DCR como 0,22 mΩ (máx.). O resultado do ensaio realizado com o medidor de resistência CC (método Kelvin de quatro fios) é de 0,196 mΩ, o que atende aos requisitos da folha de especificações, com o resultado real da medição apresentado na Figura 2. Ao utilizar um multímetro comum (método de dois fios), ajustado à faixa básica de medição de resistência de 200 Ω — que oferece uma resolução de 0,1 Ω —, o resultado do ensaio é de 600 mΩ, não atendendo aos requisitos da folha de especificações, conforme mostrado na Figura 3. Ao utilizar a ponte LCR (ensaio com fixação), ajustada à faixa de DCR seguida de correção de zero, o resultado do ensaio é de 0,387 mΩ, valor mais próximo do valor-alvo, mas ainda assim insuficiente para atender aos requisitos da folha de especificações.

Consequentemente, para garantir a precisão dos resultados dos ensaios, recomenda-se o uso de um medidor dedicado de resistência CC (método Kelvin de quatro fios) ao realizar ensaios de DCR em componentes magnéticos, como indutores.