PCB焊盤(pán)布局對(duì)精密合金電阻的電壓檢測(cè)精度的影響

唐 彬 丁晨暉 楊漫雪

（南京薩特科技發(fā)展有限公司 南京 210049）

引言

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品的使用越來(lái)越普遍，加之新能源時(shí)代的來(lái)臨，鋰電池已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的產(chǎn)品，廣泛用于手機(jī)，電腦，手表，玩具以及眾多的電氣電子產(chǎn)品中，鋰電池的安全除了鋰電池單元的安全性需要保證外，其鋰電池的管理系統(tǒng)的可靠性對(duì)電流檢測(cè)的精度要求越來(lái)越高，我公司致力于專(zhuān)業(yè)的電流檢測(cè)電阻設(shè)計(jì)和生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)各種PCB布局對(duì)電流檢測(cè)精度的影響做了深入的研究。

1 開(kāi)爾文測(cè)試法

當(dāng)電流檢測(cè)電阻值已小到幾毫歐時(shí)，其引線(xiàn)的電阻造成的誤差則不能忽略，為此開(kāi)發(fā)出四引線(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，接近電阻根部的兩引線(xiàn)為測(cè)量VRS端，另兩根引線(xiàn)為電流的通路。在電阻根部測(cè)量RS上的電壓（消除了引線(xiàn)電阻的測(cè)量誤差）是精密測(cè)量方法，也稱(chēng)為凱爾文（Kelvin）測(cè)量法。

為了能夠清晰的識(shí)別誤差，本次試驗(yàn)采用一個(gè)2512、0.5 mΩ、3 W電阻，2512R005其電阻值精度為±1 %。其電極面尺寸和普通的4焊盤(pán)布局如圖2所示。

如果使用一種簡(jiǎn)單的雙焊盤(pán)布局，則總電阻為： 總電阻=PCB布局線(xiàn)路電阻+焊料電阻+精密電阻的電阻+焊料電阻+ PCB布局線(xiàn)路電阻。普通4焊盤(pán)PCB布局，是將開(kāi)爾文檢測(cè)的四線(xiàn)測(cè)試法，理解為將標(biāo)準(zhǔn)雙焊盤(pán)拆分成四個(gè)獨(dú)立的焊盤(pán)，以便為電流路徑和電壓檢測(cè)分別提供獨(dú)立的路徑，而不會(huì)相互干擾影響。圖3說(shuō)明了普通四焊盤(pán)PCB布局此類(lèi)布局電流路徑和電壓路徑。用虛線(xiàn)箭頭表示的電流路徑。用實(shí)線(xiàn)箭頭表示電壓檢測(cè)路徑。

為了避免PCB布局及焊料影響電阻測(cè)試精度，需要為電壓檢測(cè)線(xiàn)，選擇一個(gè)正確地布局方式。系統(tǒng)電流會(huì)在其流過(guò)路徑上產(chǎn)生壓降，但在檢測(cè)電流密度較低的區(qū)域則會(huì)產(chǎn)生可以忽略不計(jì)的壓降?？梢?jiàn)，這種焊盤(pán)分離的思路可以消除部分測(cè)量中的焊點(diǎn)電阻，從而提高系統(tǒng)的電阻測(cè)試精度。

2 PCB布局設(shè)計(jì)

圖3所示布局是對(duì)普通雙焊盤(pán)方案的一種顯著的改進(jìn)，但是，在使用極低值電阻（0.5 mΩ或以下）時(shí)，焊盤(pán)上檢測(cè)點(diǎn)的物理位置以及流經(jīng)電阻的電流對(duì)稱(chēng)性的影響將變得更加顯著。例如，R005是一款精密合金電阻，因此，電阻沿著焊盤(pán)每延伸一毫米，結(jié)果都會(huì)影響有效電阻。使用校準(zhǔn)電流，通過(guò)比較六種PCB布局模式的壓降，可以確定最佳PCB檢測(cè)布局。

圖4展示在測(cè)試PCB板上構(gòu)建的六種布局模式，分別標(biāo)記為A到F。我們盡可能把走線(xiàn)布局到沿著檢測(cè)焊盤(pán)延伸的不同位置的測(cè)試點(diǎn)，表示為圖中的X和Y檢測(cè)點(diǎn)。各個(gè)電阻布局為：

A模式：基于傳統(tǒng)的2512標(biāo)準(zhǔn)布局的標(biāo)準(zhǔn)4線(xiàn)焊盤(pán)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2(b)）。設(shè)置的兩個(gè)電壓檢測(cè)點(diǎn)X和Y， X位于焊盤(pán)外緣，Y位于焊盤(pán)內(nèi)緣。

B模式：與A類(lèi)似，但為適應(yīng)電極的焊盤(pán)，將焊盤(pán)向內(nèi)延伸到與電極寬度同等大小，以便更好地覆蓋焊盤(pán)區(qū)（見(jiàn)圖2(a)）。設(shè)置的兩個(gè)電壓檢測(cè)點(diǎn)X和Y，X位于焊盤(pán)外緣，Y檢測(cè)點(diǎn)位于焊盤(pán)中心位置。

圖1 開(kāi)爾文測(cè)試法原理

圖2 電極面尺寸和普通的4焊盤(pán)布局

圖3 普通的4焊盤(pán)開(kāi)爾文檢測(cè)

C模式：升級(jí)為六焊盤(pán)設(shè)計(jì)，上下四個(gè)焊盤(pán)為對(duì)稱(chēng)的電流路徑，檢測(cè)點(diǎn)位于中央位置。同樣設(shè)置X和Y兩個(gè)電壓檢測(cè)點(diǎn)，X位于焊盤(pán)外緣，Y檢測(cè)點(diǎn)位于焊盤(pán)中心位置。

D模式：與C類(lèi)似，只是電流焊盤(pán)在最靠里的邊緣部分連接。只使用了外部檢測(cè)點(diǎn)X。

E模式： A和B的混合體。只延伸了電流路徑的焊盤(pán)，電壓檢測(cè)路徑的焊盤(pán)不變。電壓檢測(cè)點(diǎn)位置與A一樣。

F模式：對(duì)普通雙焊盤(pán)方案的改進(jìn)。通過(guò)在雙焊盤(pán)內(nèi)側(cè)引出兩根單獨(dú)的電壓檢測(cè)路徑線(xiàn)，系統(tǒng)電流在流過(guò)較寬的焊盤(pán)時(shí)，電壓檢測(cè)端可以繞過(guò)絕大部分電極，直接電阻本體的邊緣。最大限度的降低了電極電阻的影響。

在模板上涂抹焊料，并在回流爐中使用回流焊接。圖5使用的是2512R005電阻。

3 測(cè)試步驟

測(cè)試方法如圖6所示。為了方便計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，將電流設(shè)置為電阻的額定電流20 A；電流為20 A時(shí)，通過(guò)0.5 mΩ電阻的理想壓降為10 mV。使用艾德克斯恒流電源和電子負(fù)載輸出20 A的標(biāo)準(zhǔn)電流通過(guò)電阻，為降低溫度的上升對(duì)電壓測(cè)試精度的影響。在加載電流后1 s內(nèi)，在X檢測(cè)點(diǎn)和Y檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量電阻產(chǎn)生的電壓，以防止電阻溫度升高時(shí)間過(guò)程帶來(lái)影響。

圖4 測(cè)試PCB板的布局

圖5 檢測(cè)電阻布局測(cè)試PCB板

圖6 測(cè)試設(shè)置

表1 測(cè)得電壓和誤差

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)通過(guò)高電流主焊盤(pán)的電壓進(jìn)行測(cè)量，以展示與焊料電阻和PCB布局相關(guān)的誤差。表1列出了采用圖4所示檢測(cè)焊盤(pán)位置測(cè)得的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)果分析

以上所有的PCB布局中，內(nèi)部的檢測(cè)點(diǎn)X提供的結(jié)果較靠近真值。這表明，這些電阻是制造商根據(jù)電阻的總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的。 而需注意的是，在未使用開(kāi)爾文檢測(cè)時(shí)，電阻測(cè)試的誤差是23 %，這相當(dāng)于約0.115 mΩ的電阻測(cè)試偏差。

由于結(jié)果的可比較性以及各電阻偏差都呈現(xiàn)出很清晰的差異，所以得出PCB布局F模式的誤差最少。PCB布局F模式應(yīng)為首選，因?yàn)樗?jīng)過(guò)SMT焊接后，檢測(cè)精度最高。

6 結(jié)論

檢測(cè)走線(xiàn)的布局也會(huì)影響測(cè)量精度。為了實(shí)現(xiàn)最高精度，應(yīng)在電阻邊緣測(cè)量檢測(cè)電壓，圖7為建議采用的PCB布局尺寸圖，主要的設(shè)計(jì)思路為從電阻焊盤(pán)的中間引出，再根據(jù)實(shí)際的電路需求連接到主電路中。根據(jù)前面所示結(jié)果，最佳PCB布局是F模式，其預(yù)期測(cè)量誤差小于0.5 %。該P(yáng)CB布局為測(cè)試板的設(shè)計(jì)布局圖如圖8所示，可以批量測(cè)試產(chǎn)品的電阻值。

圖7 建議PCB走線(xiàn)路圖

圖8 最佳PCB布局尺寸