EN
Liên kết nhanh
Khi yêu cầu về điện trở một chiều (DCR) trong các bộ chuyển đổi DC-DC hiệu suất cao và các mô-đun nguồn AI tiếp tục giảm xuống mức miliohm hoặc thậm chí microohm, phương pháp đo hai dây truyền thống sẽ gây ra sai số quá lớn, do đó bắt buộc phải áp dụng phương pháp nối bốn dây (Kelvin) để đo. Nhiều kỹ sư cho rằng việc đo DCR rất đơn giản, chỉ cần kẹp linh kiện bằng đầu dò của đồng hồ vạn năng hoặc máy phân tích LCR. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, thường xuyên phát sinh các vấn đề như: kết quả đo không nhất quán giữa nhiều thiết bị khác nhau đối với cùng một cuộn cảm, dữ liệu dao động do lực ép thay đổi lên đầu dò đo, và dữ liệu đo bị phóng đại nghiêm trọng đối với các cuộn cảm có độ tự cảm thấp. Hãy cùng tìm hiểu nguyên nhân sâu xa đằng sau những vấn đề này.
1- Hiểu bản chất của điện trở một chiều (DCR) của cuộn cảm và những khó khăn trong việc đo lường
Điện trở một chiều (DCR) của cuộn cảm là thành phần thuần điện trở do dây quấn cuộn cảm thể hiện dưới tác động của điện áp một chiều, bắt nguồn từ điện trở nội tại của dây đồng dùng để quấn cuộn cảm. Tham số này trực tiếp quyết định hiệu suất chuyển đổi công suất, khả năng tản nhiệt và độ tin cậy dài hạn của hệ thống điện.
Khó khăn kỹ thuật cốt lõi trong việc đo chính xác DCR nằm ở chỗ điện trở một chiều của các dây quấn cuộn cảm thông dụng thường nằm trong khoảng vài miliohm đến vài trăm miliohm. Khi điện trở cần đo giảm xuống mức miliohm, điện trở của dây dẫn thử nghiệm (thường từ 0,1 Ω đến 0,5 Ω) và điện trở tiếp xúc của đầu dò (vài miliohm đến vài chục miliohm) trong phương pháp đo hai dây truyền thống đã có cùng bậc độ lớn với điện trở cần đo. Do đó, giá trị đo được sẽ sai lệch nghiêm trọng so với giá trị thực.
2- Phương pháp bốn dây Kelvin — Giải pháp cơ bản để loại bỏ sai số do dây nối
Giải pháp tiêu chuẩn để đo điện trở thấp là kết nối Kelvin bốn dây. Kỹ thuật này do ngài William Thomson Kelvin phát minh năm 1861 và đến nay vẫn là phương pháp chuẩn mực để đo điện trở thấp với độ chính xác cao.
2.1 Vì sao phương pháp hai dây không khả thi
Trong phép đo hai dây thông thường, mạch kích thích dòng điện và mạch dò điện áp chia sẻ cùng một cặp dây dẫn. Giá trị điện trở được đồng hồ đo là:
R_đo = R_DUT + 2 × (R_dây + R_tiếp_xúc)
Trong đó R_dây là điện trở của một dây đo đơn lẻ (thường nằm trong khoảng vài miliohm đến hàng trăm miliohm), còn R_tiếp_xúc là điện trở tiếp xúc giữa đầu dò và điểm đo (khoảng vài miliohm). Khi R_DUT chỉ vào khoảng vài miliohm, sai số do điện trở dây dẫn và điện trở tiếp xúc gây ra có thể lên tới hàng chục lần giá trị thực.
2.2 Nguyên lý cốt lõi của phương pháp Kelvin bốn dây
Phương pháp bốn dây Kelvin giải quyết vấn đề này bằng cách tách riêng về mặt vật lý đường dẫn dòng điện và đường dẫn phát hiện điện áp. Bốn dây được chia thành hai cặp, mỗi cặp đảm nhiệm một chức năng riêng biệt:
◾ Dây kích thích (dây cấp dòng, 2 dây): Áp một dòng điện một chiều (DC) đã biết và không đổi lên cuộn cảm cần đo. Có thể tồn tại sụt áp trên vòng mạch dòng này, nhưng điện trở dây nối và điện trở tiếp xúc không ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo.
◾ Dây cảm biến (dây đo điện áp, 2 dây): Đo độc lập điện áp sụt thực tế giữa hai đầu cuộn cảm (thay vì tại các đầu nối của bộ kẹp đo). Do trở kháng đầu vào của mạch đo điện áp rất cao (các thiết bị đo hiện đại thường > 1 GΩ), dòng điện chạy qua dây cảm biến gần như bằng không. Do đó, điện trở dây nối và điện trở tiếp xúc không gây ra sụt áp đáng kể trên các dây cảm biến.
Theo định luật Ohm, điện trở một chiều (DCR) của cuộn cảm có thể được tính theo công thức sau:
DCR = V_Sense / I_Force
V_Sense là điện áp đặt trực tiếp trên cuộn cảm, được đo chính xác bởi các dây Sense mà không bao gồm bất kỳ sụt áp nào trên dây dẫn; còn I_Force là dòng điện hằng số đã biết. Việc chia hai giá trị này cho ta giá trị điện trở một chiều thực tế, hoàn toàn không phụ thuộc vào mọi điện trở tiếp xúc và điện trở dây dẫn trong mạch ngoài.
2.3 Cảnh báo khi đo bằng phương pháp bốn dây
◾ Độc lập Liên hệ : Bốn dây phải tiếp xúc riêng biệt với bốn điểm khác nhau trên hai điện cực của cuộn cảm. Trong các đầu kẹp thực tế, mỗi điện cực được tiếp xúc đồng thời bởi hai đầu dò (Force + Sense), nhưng hai đầu dò này không nối với nhau bên trong đầu kẹp; chúng chỉ gặp nhau tại điểm tiếp xúc.
◾ Độ sạch của đầu dò: Oxy hóa lớp đệm hoặc dư lượng chất trợ hàn có thể gây ra điện trở tiếp xúc không ổn định. Mặc dù điều này không ảnh hưởng đến các đường Sense, nhưng có thể gây mất ổn định trong mạch dòng điện hoặc làm bão hòa nguồn dòng không đổi. Trước khi đo, làm sạch các lớp đệm bằng cồn khan hoặc lau nhẹ bằng tẩy chì.
3- Kiểm chứng so sánh dữ liệu thử nghiệm
Lấy cuộn cảm công suất dạng ép dùng cho ứng dụng AI trên trang web chính thức của CODACA làm ví dụ, mẫu CSHN100760-56NN được chọn để thực hiện kiểm tra so sánh bằng ba thiết bị phổ biến trên thị trường: máy đo điện trở một chiều (DCR), đồng hồ vạn năng và cầu LCR.
Hình 1. Đặc tính điện của cuộn cảm công suất dạng ép CSHN100760-56NN
Hình 2. Máy đo điện trở một chiều (phương pháp bốn dây Kelvin): Vùng đo DCR
Hình 3. Đồng hồ vạn năng (phương pháp hai dây)
Hình 4. Cầu LCR (kiểm tra bằng đầu kẹp): Vùng đo LCR
Như thể hiện trong Hình 1, bảng thông số kỹ thuật của CSHN100760-56NN quy định điện trở một chiều (DCR) tối đa là 0,22 mΩ. Kết quả đo bằng máy đo điện trở một chiều (phương pháp bốn dây Kelvin) là 0,196 mΩ, đáp ứng yêu cầu ghi trong bảng thông số kỹ thuật; kết quả đo thực tế được thể hiện trong Hình 2. Khi sử dụng đồng hồ vạn năng thông thường (phương pháp hai dây) với dải đo được điều chỉnh sang dải đo điện trở cơ bản là 200 Ω — cung cấp độ phân giải 0,1 Ω — kết quả đo là 600 mΩ, không đáp ứng yêu cầu ghi trong bảng thông số kỹ thuật, như minh họa trong Hình 3. Khi sử dụng cầu LCR (kiểm tra bằng đầu kẹp) được điều chỉnh sang dải đo DCR và sau đó hiệu chuẩn về zero, kết quả đo là 0,387 mΩ — giá trị này gần hơn với giá trị mục tiêu nhưng vẫn không đáp ứng yêu cầu ghi trong bảng thông số kỹ thuật.
Do đó, để đảm bảo độ chính xác của kết quả kiểm tra, nên ưu tiên sử dụng máy đo điện trở một chiều chuyên dụng (phương pháp bốn dây Kelvin) khi thực hiện phép đo DCR trên các linh kiện từ tính như cuộn cảm.