Многие конструкции источников питания основаны на точном измерении напряжения на токоизмерительном элементе. В многофазных регуляторах измеряемое напряжение используется для принудительного распределения токов между фазами, а в однофазных – для управления порогом ограничения тока. По мере увеличения внутренней сложности и тактовой частоты процессоров ужесточаются требования к рабочим пределам напряжений и токов источника питания, что, в свою очередь, делает точное измерение тока критически важным. Самый точный из нескольких доступных методов основан на установке токоизмерительного резистора малого сопротивления в выходной тракт источника питания. Другой популярный метод в качестве чувствительного элемента использует паразитное сопротивление выходного дросселя импульсного регулятора. Для любого метода токи 20 А или более на фазу источника питания накладывают ограничение на сопротивление токоизмерительного резистора, которое должно иметь порядок 1 мОм. Точные резисторы с допуском 1% доступны по разумной цене, но погрешность в 1% от 1 мОм составляет всего 10 мкОм.
Сопротивления паяных соединений, крепящих токоизмерительный резистор или дроссель к печатной плате, могут легко превысить 10 мкОм и, что еще хуже, могут иметь значительный производственный разброс. В прошлом дискретные четырехпроводные резисторы обеспечивали раздельное подключение путей прохождения большого тока и измеряемого напряжения, что позволяло выполнять точные измерения по схеме Кельвина и исключало падения напряжения, возникающие при протекании сильного тока. К сожалению, четырехпроводные резисторы или дроссели недоступны в недорогих SMD корпусах. Таким образом, большинство разработчиков источников питания используют двухпроводные токоизмерительные компоненты и применяют технологию разводки печатной платы с подключением Кельвина (Рисунок 1). Однако результаты испытаний показывают, что применение традиционных методов измерения Кельвина при низких номиналах резисторов приводит к погрешностям преобразования, достигающим 25%, что является неприемлемым для конструкций, требующих высокой точности.
 |
|
| Рисунок 1. | Обычные контактные площадки допускают два варианта подключения Кельвина: к внутренним краям площадок (а) или к внешним углам (б). |
Так что же делать разработчику источников питания? Ответ заключается в небольшом изменении старой идеи, которая требует лишь незначительной модификации контактной площадки токоизмерительного резистора. Для сравнения характеристик традиционных подключений Кельвина и предлагаемого метода была сделана тестовая плата с тремя вариантами контактных площадок для установки резисторов поверхностного монтажа сопротивлением 1 мОм и точностью 1%. Во всех трех вариантах ток входит и выходит из резистора через дорожки (не показаны) с левой и правой стороны контактных площадок, соответственно.
В схеме на Рисунке 1a при прохождении тока 4.004 А напряжение на выводах Кельвина составляет 4.058 мВ, что дает ошибку 1.35%. При токе 8.002 А напряжение на выводах Кельвина равно 8.090 мВ, и ошибка составляет 1.1%. На Рисунке 1б ток 4.004 A создает напряжение на выводах Кельвина 5.01 мВ, что дает ошибку 25%. При токе 8.002 А напряжение на выводах Кельвина равно 9.462 мВ, а ошибка составляет 18.2%. На Рисунке 2 показан улучшенный вариант контактных площадок компонента. Каждая большая контактная площадка имеет центральный вырез, частично окружающий узкую площадку, которая припаивается непосредственно к чувствительному элементу и, таким образом, не пропускает ток. При таком подходе из измерительного тракта исключаются паяные соединения большой площади, которые крепят компонент и пропускают большой ток нагрузки.
При прохождении тока 4.002 А через контактные площадки на Рисунке 2 напряжение на выводах Кельвина составляет 4.004 мВ, что соответствует погрешности 0.05%. При токе 8.003 А измеренное напряжение составляет 8.012 мВ, что дает ошибку всего 0.11% – на порядок лучше, чем на Рисунке 1а. Температурная зависимость измеряемого напряжения должна значительно снизиться, и на него больше не влияют вариации толщины припоя. Самое главное, что эта технология ничего не стоит.
 |
|
| Рисунок 2. | Модифицированные контактные площадки обеспечивают изолированные подключения Кельвина, исключающие ошибки, возникающие из-за падения напряжения на паяных соединениях, пропускающих большой ток. |
Очевидно, что метод, показанный на Рисунке 2, работает только с достаточно широкими выводами, позволяющими разделить контактную площадку на три секции и сохранить достаточную площадь пайки для работы с большими токами. Однако для многих конструкций этот простой метод может значительно повысить точность распределения токов и управления порогами ограничения, а также улучшить вольтамперные характеристики.
