两种测量电阻的方法 开尔文连接的应用

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