开尔文连接也称“ 四线连接法 ”,是以英国物理学家开尔文勋爵(威廉. 汤姆森)命名的连接方法。
汤姆森在采用传统“两线连接法”测量小电阻时,发现由于引线电阻和接触阻抗的存在,测量结果往往存在较大误差,于是发明了“四线连接法”以提高测量精度。
两种测量电阻的方法
1. 两线连接法
根据 欧姆定律 (Ohm's Law),穿过某一导体两端的电流与施加在其两端的电压成正比。 因此,为了测量某个电阻的阻值,需要在电阻两端施加一个电流激励源 ,然后测量其两端电压,依此计算阻值。
图1 两线连接法
上图是两线接法的实物图和原理图,其中R是被测电阻,Rl是引线电阻,Rc是接触阻抗。
当被测量的电阻阻值较大时(几k或几十k),引线电阻和接触阻抗可以忽略不记。
然而两线连接法的缺点在于,当被测电阻R的阻值较小(<1欧姆)时,Rl和Rc便不可忽略,由U/I计算出的阻值实际为被测电阻、引线电阻和接触阻抗之和,即R+2*(Rl+Rc),测量结果存在较大偏差。
2. 四线连接法(开尔文接法)
四线连接法特别适用于小于1欧姆的电阻阻值测量,即电压回路和电流回路相互分离,两线用于测量电阻两端电压,另外两线用于激励源电流回路。
图2 四线连接法(开尔文接法)
四线连接法使用的夹子称为“ 开尔文夹 (Kelvin clips)”,每个夹子有两根引线,一根用于电压测量,另外一根用于电流回路。 由于电压表为高阻态 ,电压回路中引线电阻和接触阻抗产生的压降可以忽略不计,此时测量的电压较为精准。
开尔文接法不仅用于小电阻阻值测量,在电力电子技术和电路设计中,开尔文接法有较广泛的应用。
开尔文连接的应用
1. 电流采样
在电路设计中,使用最广泛的电流采样方法是在电流回路中 串联高精度的电阻 ,通过测量电阻两端的电压计算回路的电流值大小。
考虑到电阻损耗的影响,通常采用小于1欧姆的电阻。 这种场景下,开尔文接法能够提高采样精度。
图3 采用开尔文接法的电流采样
在PCB设计中,要特别注意 采样引线与功率走线分离 ,避免由于走线阻抗影响采样精度。
如下是错误的走线方式,采样端口并没有从采样电阻两端引出,在功率走线电流较大时,引线阻抗不可忽略,产生采样误差。
图4 错误的PCB Layout方式
2. 开关管的开尔文脚设计
所谓开关管即MOSFET,是开关电源中的核心器件之一。 如下是增强型NMOS场效应管,分为 漏极(Drain) 、 源极(Source) 和栅极(Gate) 。 栅极为驱动引脚,当栅源极为高电平时,漏源极导通; 当栅源极为低电平时,漏源极关断。 因此,源极是控制回路和功率回路的共用通路。
在电路工作中,若MOS管的引脚较长(寄生参数较大)且不进行功率回路和控制回路隔离,很有可能产生 信号串扰 ,导致 开关管误导通 ,电路异常甚至失效等问题。 为了避免这一问题,一些厂商在MOS管封装上增加了“开尔文脚”,开尔文脚为驱动回路额外提供了一个源极引脚,从而避免与功率回路源极产生串扰。
如下是两种Layout方式。
图5 没有开尔文脚(左)和有开尔文脚(右)的Layout
图6 具有开尔文脚的MOSFET (Innoscience)
在没有开尔文脚的Layout中,驱动回路,反馈回路以及功率回路共地,功率回路的寄生电感不仅影响栅极的导通速度,还会影响反馈信号;
而采用开尔文脚的Layout,三个回路相互解耦,即 单点接地 ,三个回路互不干扰。
需要注意的是,并非所有开关电源拓扑都适用开尔文脚的MOSFET,如采用QR反激的电源产品。 常用的QR反激的控制方式为 峰值电流控制,PWM控制器通过MOS管源极采样电阻读取峰值电流。 若采用开尔文接法,则驱动信号与PWM控制器无法共地。 对于这种情况,应将开尔文脚与源极短接。
图7 QR反激无法使用开尔文连接
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