EN
Быстрые ссылки
Поскольку требования к измерению сопротивления постоянному току (DCR) в высокопроизводительных преобразователях постоянного тока и модулях питания для ИИ продолжают снижаться до уровня миллиомов или даже микромомов, традиционный двухпроводный метод измерения приводит к слишком большим погрешностям, что делает необходимым применение четырёхпроводного (кельвиновского) метода подключения. Многие инженеры считают измерение DCR простой задачей и полагают, что его можно выполнить, просто зажав компонент щупами мультиметра или измерителя LCR. Однако на практике в производственных условиях часто возникают проблемы, например: несогласованность показаний при измерении одного и того же дросселя разными приборами, колебания данных из-за различного давления, оказываемого щупами при измерении, а также значительное завышение результатов измерений для дросселей с низкой индуктивностью. Ниже мы рассмотрим основные причины этих явлений.
1. Понимание сущности постоянного сопротивления индуктивности (DCR) и трудностей измерения
Постоянный ток сопротивления (DCR) индуктивного элемента относится к чисто резистивной составляющей, которую представляет обмотка индуктивного элемента при возбуждении постоянным током; она обусловлена внутренним сопротивлением медного провода, используемого для намотки индуктивного элемента. Этот параметр напрямую определяет эффективность преобразования энергии, отвод тепла и долгосрочную надёжность энергосистемы.
Основная техническая сложность точного измерения DCR заключается в том, что DCR типичных обмоток индуктивных элементов обычно находится в диапазоне от нескольких миллиом до нескольких сотен миллиом. Когда измеряемое сопротивление снижается до уровня миллиомов, сопротивление самих измерительных проводов (обычно 0,1 Ом–0,5 Ом) и контактное сопротивление зондов (несколько миллиомов – десятки миллиомов) при традиционном двухпроводном методе измерения уже соизмеримы по порядку величины с измеряемым сопротивлением. В результате измеренное значение сильно отклоняется от истинного значения.
2. Четырёхпроводный метод Кельвина — фундаментальное решение для устранения погрешностей, вызванных сопротивлением проводов
Стандартным решением для измерения малых сопротивлений является четырехпроводное соединение Кельвина. Этот метод был изобретен лордом Уильямом Томсоном Кельвином в 1861 году и по-прежнему остается эталонным методом для точных измерений малых сопротивлений.
2.1 Почему двухпроводный метод неприменим
При обычном двухпроводном измерении цепь возбуждения тока и цепь измерения напряжения используют одну и ту же пару проводов. Значение сопротивления, измеренное прибором, равно:
R_измер = R_ИИ + 2 × (R_провод + R_контакт)
Где R_провод — сопротивление одного измерительного провода (обычно в диапазоне от долей миллиома до сотен миллиомов), а R_контакт — контактное сопротивление между щупом и точкой измерения (диапазон). Когда R_ИИ составляет всего несколько миллиомов, погрешность, вносимая сопротивлением проводов и контактов, может превышать истинное значение в десятки раз.
2.2 Основной принцип четырехпроводного метода Кельвина
Метод Кельвина с четырьмя проводами решает эту проблему, физически разделяя путь тока и путь измерения напряжения. Четыре провода делятся на две пары, каждая из которых выполняет отдельную функцию:
◾ Силовые линии (линии подачи тока, 2 провода): Подайте известный постоянный ток заданной величины на испытуемый дроссель. На этом токовом контуре могут возникать падения напряжения, однако сопротивление проводов и контактное сопротивление не влияют на точность результатов измерения.
◾ Линии измерения напряжения (линии съёма напряжения, 2 провода): Независимо измерьте истинное падение напряжения на выводах дросселя (а не на клеммах испытательного приспособления). Поскольку входное сопротивление контура измерения напряжения чрезвычайно высоко (у современных измерительных приборов обычно > 1 ГОм), ток, протекающий по линиям съёма напряжения, стремится к нулю. Таким образом, сопротивление проводов и контактное сопротивление не создают заметного падения напряжения на линиях съёма.
Согласно закону Ома, ДСС индуктивности можно рассчитать по следующей формуле:
ДСС = V_Sense / I_Force
V_Sense — это напряжение на индуктивности, измеренное непосредственно с помощью линий Sense без учета падения напряжения на выводах; I_Force — известный постоянный ток; деление этих двух величин дает истинное значение постоянного сопротивления, полностью независимое от всех сопротивлений контактов и выводов во внешней цепи.
2.3 Меры предосторожности при четырёхпроводном измерении
◾ Независимый КОНТАКТ : четыре провода должны подключаться к четырём отдельным точкам на двух электродах индуктивности. На практике в каждом приспособлении каждый электрод одновременно контактирует с двумя щупами (Force и Sense), однако внутри приспособления эти два щупа не соединены; их соединение осуществляется только в точке контакта с контактной площадкой.
◾ Чистота щупов: окисление контактных площадок или остатки флюса могут вызвать нестабильное контактное сопротивление. Хотя это не влияет на линии измерения напряжения (Sense), это может привести к нестабильности в токовой цепи или насыщению источника постоянного тока. Перед измерением очистите контактные площадки безводным спиртом или аккуратно протрите их ластиком.
3 — Сравнительная проверка тестовых данных
В качестве примера взят формовочный силовой дроссель для ИИ-приложений с официального сайта компании CODACA; для сравнительного тестирования была выбрана модель CSHN100760-56NN с использованием трёх распространённых на рынке приборов: тестера постоянного сопротивления, мультиметра и измерителя LCR.
Рисунок 1. Электрические характеристики формовочного силового дросселя CSHN100760-56NN
Рисунок 2. Тестер постоянного сопротивления (четырёхпроводный метод Кельвина): зона измерения DCR
Рисунок 3. Мультиметр (двухпроводный метод)
Рисунок 4. Измеритель LCR (тестирование в специальном креплении): зона измерения LCR
Как показано на рисунке 1, в техническом описании компонента CSHN100760-56NN указано максимальное значение сопротивления постоянному току (DCR) — 0,22 мОм. Результат измерения с использованием измерителя сопротивления постоянного тока (четырёхпроводный метод Кельвина) составил 0,196 мОм, что соответствует требованиям технического описания; фактический результат измерения приведён на рисунке 2. При использовании обычного мультиметра (двухпроводный метод) с установленным пределом измерения в базовом диапазоне сопротивлений 200 Ом, обеспечивающим разрешение 0,1 Ом, результат измерения составил 600 мОм, что не соответствует требованиям технического описания, как показано на рисунке 3. При использовании измерителя LCR (тестирование в специальном креплении), настроенного на измерение DCR и прошедшего коррекцию нуля, результат измерения составил 0,387 мОм: он ближе к целевому значению, однако всё ещё не соответствует требованиям технического описания.
Следовательно, для обеспечения точности результатов измерений при тестировании магнитных компонентов, таких как дроссели, при измерении сопротивления постоянному току (DCR) предпочтительно использовать специализированный измеритель сопротивления постоянного тока (четырёхпроводный метод Кельвина).