EN
Snabb länkar
Eftersom kraven på DCR i höpresterande DC-DC-omvandlare och AI-strömoduler fortsätter att sjunka till milliohm- eller till och med mikroohmnivå introducerar den traditionella tvåtrådsmetoden för stora mätfel, vilket gör det nödvändigt att använda en fyrvägsanslutning (Kelvin-metod) för mätning. Många ingenjörer tror att DCR-mätning är enkelt och menar att den kan utföras genom att helt enkelt klämma komponenten med provledningarna från en multimeter eller en LCR-meter. I praktiken uppstår dock ofta problem, till exempel: inkonsekventa avläsningar mellan flera instrument för samma induktor, datafluktuationer orsakade av varierande tryck på provledningarna samt kraftigt förhöjda mätvärden för induktorer med låg induktans. Nedan undersöker vi de underliggande orsakerna.
1 – Förståelsen av induktorns DCR och mätningssvårigheter
DC-motståndet (DCR) för en induktor avser den rent resistiva komponenten som induktorns lindning visar vid likströmsdrift, vilket härrör från det inre motståndet i koppartråden som används för att linda induktorn. Denna parameter avgör direkt effektkonverteringseffektiviteten, värmeavledningen och den långsiktiga tillförlitligheten hos kraftsystemet.
Den centrala tekniska utmaningen vid noggrann mätning av DCR ligger i att DCR för vanliga induktorslindningar vanligtvis ligger mellan några milliohm och flera hundratal milliohm. När det motstånd som ska mätas sjunker till milliohm-nivå är motståndet i provledningarna själva (vanligtvis 0,1 Ω–0,5 Ω) och kontaktmotståndet i proborna (några milliohm till tiotals milliohm) vid traditionell tvåledarmätning redan av samma storleksordning som det motstånd som ska mätas. Därför kommer det uppmätta värdet att avvika kraftigt från det verkliga värdet.
2 – Kelvins fyrvägsmetod – den grundläggande lösningen för att eliminera ledningsfel
Standardlösningen för mätning av låg resistans är Kelvin-fyrvärdsanslutningen. Denna teknik uppfanns av lord William Thomson Kelvin 1861 och är fortfarande den referensmetod som används för precisionsmätning av låg resistans idag.
2.1 Varför tvåvägsmetoden är ogenomförbar
Vid en vanlig tvåvärds-mätning delar strömföringsloopen och spänningsdetekteringsloopen samma par ledningar. Resistansvärdet som mätaren visar är:
R_mätt = R_DUT + 2 × (R_ledning + R_kontakt)
Där R_ledning är resistansen i en enskild provledning (vanligtvis i intervallet från några milliohm upp till hundratals milliohm) och R_kontakt är kontaktkretens resistans mellan proben och mätpunkten (intervallet). När R_DUT endast är några milliohm kan felet som orsakas av lednings- och kontaktkretsresistanserna uppgå till tiotals gånger det verkliga värdet.
2.2 Kärnprincipen för Kelvin-fyrvärdsmetoden
Kelvins fyrvägsmetod löser detta problem genom att fysiskt separera strömvägen från spänningsdetekteringsvägen. De fyra ledningarna delas upp i två par, där varje par har en specifik funktion:
◾ Kraftledningar (strömförande ledningar, 2 stycken): Applicera en känd, konstant likström till den undersökta induktorn. Spänningsfall kan förekomma i denna strömslinga, men ledningsresistansen och kontaktresistansen påverkar inte mätresultatens noggrannhet.
◾ Mätledningar (spänningsdetekteringsledningar, 2 stycken): Mät oberoende det verkliga spänningsfallet över båda ändarna av induktorn (i stället för vid provfattets anslutningar). Eftersom ingående impedansen i spänningsdetekteringsslingan är extremt hög (moderna testinstrument är vanligtvis >1 GΩ) är strömmen genom mätledningarna nästan noll. Därför ger inte ledningsresistansen och kontaktresistansen något signifikant spänningsfall på mätledningarna.
Enligt Ohms lag kan DCR för induktorn beräknas med följande formel:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense är spänningen över induktorn som mäts direkt av Sense-ledningarna utan att inkludera någon ledningsmotstånd, och I_Force är en känd konstant ström; divisionen av dessa två ger det verkliga likströmsmotståndsvärdet, vilket är helt oberoende av alla kontakt- och ledningsmotstånd i den yttre slingan.
2.3 Fyra-ledarsmätning – försiktighetsåtgärder
◾ Oberoende KONTAKTA : De fyra ledningarna måste separat kontakta fyra olika punkter på de två elektroderna för induktorn. I praktiken kontaktas varje elektrod av två probor samtidigt (Force + Sense) i faktiska fästutrustningar, men de två är inte kopplade inuti fästutrustningen; de möts endast vid kontaktplattan.
◾ Renlighet hos proben: Oxidation av pad eller rester av flussmedel kan ge instabil kontaktmotstånd. Även om detta inte påverkar Sense-ledningarna kan det orsaka instabilitet i strömslingan eller överbelasta källan för konstant ström. Rengör paden med vattenfri alkohol eller torka försiktigt av dem med en suddgummi innan mätning.
3 – Jämförande verifiering av testdata
Som exempel tas den formade kraftchocken för AI-applikationer från CODACAs officiella webbplats, modell CSHN100760-56NN, fram för en jämförande testning med tre vanliga instrument på marknaden: en DC-motståndstestare, en multimeter och en LCR-brygga.
Figur 1. Den formade kraftchockens CSHN100760-56NN elektriska egenskaper
Figur 2. DC-motståndstestare (Kelvins fyrvärdsmetod): DCR-testområde
Figur 3. Multimeter (tvåvärdsmetod)
Figur 4. LCR-brygga (fixturetestning): LCR-testområde
Som framgår av figur 1 anger specifikationsbladet för CSHN100760-56NN DCR-värdet till maximalt 0,22 mΩ. Testresultatet med hjälp av en DC-motståndstestare (Kelvin fyrvägsmetod) är 0,196 mΩ, vilket uppfyller kraven i specifikationsbladet; det faktiska mätresultatet visas i figur 2. När en vanlig multimeter (tvåvägsmetod) används med området inställt på grundläggande motståndsmätning 200 Ω – vilket ger en upplösning på 0,1 Ω – blir testresultatet 600 mΩ, vilket inte uppfyller kraven i specifikationsbladet, enligt figur 3. När en LCR-brygga (fixture-testning) används med området inställt på DCR och efter nollkorrigering blir testresultatet 0,387 mΩ, vilket är närmare det målvärde men ändå inte uppfyller kraven i specifikationsbladet.
Därför är en specialanpassad DC-motståndstestare (Kelvin fyrvägsmetod) att föredra vid DCR-testning av magnetiska komponenter, t.ex. induktorer, för att säkerställa mätresultatens noggrannhet.