PCB焊盤布局對精密合金電阻的電壓檢測精度的影響

唐 彬 丁晨暉 楊漫雪

（南京薩特科技發展有限公司 南京 210049）

引言

隨著科技的發展，電子產品的使用越來越普遍，加之新能源時代的來臨，鋰電池已經成為我們生活中不可或缺的產品，廣泛用于手機，電腦，手表，玩具以及眾多的電氣電子產品中，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的可靠性對電流檢測的精度要求越來越高，我公司致力于專業的電流檢測電阻設計和生產企業，對各種PCB布局對電流檢測精度的影響做了深入的研究。

1 開爾文測試法

當電流檢測電阻值已小到幾毫歐時，其引線的電阻造成的誤差則不能忽略，為此開發出四引線結構，如圖1所示，接近電阻根部的兩引線為測量VRS端，另兩根引線為電流的通路。在電阻根部測量RS上的電壓（消除了引線電阻的測量誤差）是精密測量方法，也稱為凱爾文（Kelvin）測量法。

為了能夠清晰的識別誤差，本次試驗采用一個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焊盤布局如圖2所示。

如果使用一種簡單的雙焊盤布局，則總電阻為： 總電阻=PCB布局線路電阻+焊料電阻+精密電阻的電阻+焊料電阻+ PCB布局線路電阻。普通4焊盤PCB布局，是將開爾文檢測的四線測試法，理解為將標準雙焊盤拆分成四個獨立的焊盤，以便為電流路徑和電壓檢測分別提供獨立的路徑，而不會相互干擾影響。圖3說明了普通四焊盤PCB布局此類布局電流路徑和電壓路徑。用虛線箭頭表示的電流路徑。用實線箭頭表示電壓檢測路徑。

為了避免PCB布局及焊料影響電阻測試精度，需要為電壓檢測線，選擇一個正確地布局方式。系統電流會在其流過路徑上產生壓降，但在檢測電流密度較低的區域則會產生可以忽略不計的壓降。可見，這種焊盤分離的思路可以消除部分測量中的焊點電阻，從而提高系統的電阻測試精度。

2 PCB布局設計

圖3所示布局是對普通雙焊盤方案的一種顯著的改進，但是，在使用極低值電阻（0.5 mΩ或以下）時，焊盤上檢測點的物理位置以及流經電阻的電流對稱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，電阻沿著焊盤每延伸一毫米，結果都會影響有效電阻。使用校準電流，通過比較六種PCB布局模式的壓降，可以確定最佳PCB檢測布局。

圖4展示在測試PCB板上構建的六種布局模式，分別標記為A到F。我們盡可能把走線布局到沿著檢測焊盤延伸的不同位置的測試點，表示為圖中的X和Y檢測點。各個電阻布局為：

A模式：基于傳統的2512標準布局的標準4線焊盤設計（見圖2(b)）。設置的兩個電壓檢測點X和Y， X位于焊盤外緣，Y位于焊盤內緣。

B模式：與A類似，但為適應電極的焊盤，將焊盤向內延伸到與電極寬度同等大小，以便更好地覆蓋焊盤區（見圖2(a)）。設置的兩個電壓檢測點X和Y，X位于焊盤外緣，Y檢測點位于焊盤中心位置。

圖1 開爾文測試法原理

圖2 電極面尺寸和普通的4焊盤布局

圖3 普通的4焊盤開爾文檢測

C模式：升級為六焊盤設計，上下四個焊盤為對稱的電流路徑，檢測點位于中央位置。同樣設置X和Y兩個電壓檢測點，X位于焊盤外緣，Y檢測點位于焊盤中心位置。

D模式：與C類似，只是電流焊盤在最靠里的邊緣部分連接。只使用了外部檢測點X。

E模式： A和B的混合體。只延伸了電流路徑的焊盤，電壓檢測路徑的焊盤不變。電壓檢測點位置與A一樣。

F模式：對普通雙焊盤方案的改進。通過在雙焊盤內側引出兩根單獨的電壓檢測路徑線，系統電流在流過較寬的焊盤時，電壓檢測端可以繞過絕大部分電極，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 測試步驟

測試方法如圖6所示。為了方便計算和統計，將電流設置為電阻的額定電流20 A；電流為20 A時，通過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載輸出20 A的標準電流通過電阻，為降低溫度的上升對電壓測試精度的影響。在加載電流后1 s內，在X檢測點和Y檢測點測量電阻產生的電壓，以防止電阻溫度升高時間過程帶來影響。

圖4 測試PCB板的布局

圖5 檢測電阻布局測試PCB板

圖6 測試設置

表1 測得電壓和誤差

4 測試結果

對通過高電流主焊盤的電壓進行測量，以展示與焊料電阻和PCB布局相關的誤差。表1列出了采用圖4所示檢測焊盤位置測得的數據。

5 結果分析

以上所有的PCB布局中，內部的檢測點X提供的結果較靠近真值。這表明，這些電阻是制造商根據電阻的總長度設計的。 而需注意的是，在未使用開爾文檢測時，電阻測試的誤差是23 %，這相當于約0.115 mΩ的電阻測試偏差。

由于結果的可比較性以及各電阻偏差都呈現出很清晰的差異，所以得出PCB布局F模式的誤差最少。PCB布局F模式應為首選，因為它經過SMT焊接后，檢測精度最高。

6 結論

檢測走線的布局也會影響測量精度。為了實現最高精度，應在電阻邊緣測量檢測電壓，圖7為建議采用的PCB布局尺寸圖，主要的設計思路為從電阻焊盤的中間引出，再根據實際的電路需求連接到主電路中。根據前面所示結果，最佳PCB布局是F模式，其預期測量誤差小于0.5 %。該PCB布局為測試板的設計布局圖如圖8所示，可以批量測試產品的電阻值。

圖7 建議PCB走線路圖

圖8 最佳PCB布局尺寸