唐 彬 丁晨晖 杨漫雪

（南京萨特科技发展有限公司 南京 210049）

引言

随着科技的发展，电子产品的使用越来越普遍，加之新能源时代的来临，锂电池已经成为我们生活中不可或缺的产品，广泛用于手机，电脑，手表，玩具以及众多的电气电子产品中，锂电池的安全除了锂电池单元的安全性需要保证外，其锂电池的管理系统的可靠性对电流检测的精度要求越来越高，我公司致力于专业的电流检测电阻设计和生产企业，对各种PCB布局对电流检测精度的影响做了深入的研究。

1 开尔文测试法

当电流检测电阻值已小到几毫欧时，其引线的电阻造成的误差则不能忽略，为此开发出四引线结构，如图1所示，接近电阻根部的两引线为测量VRS端，另两根引线为电流的通路。在电阻根部测量RS上的电压（消除了引线电阻的测量误差）是精密测量方法，也称为凯尔文（Kelvin）测量法。

为了能够清晰的识别误差，本次试验采用一个2512、0.5 mΩ、3 W电阻，2512R005其电阻值精度为±1 %。其电极面尺寸和普通的4焊盘布局如图2所示。

如果使用一种简单的双焊盘布局，则总电阻为： 总电阻=PCB布局线路电阻+焊料电阻+精密电阻的电阻+焊料电阻+ PCB布局线路电阻。普通4焊盘PCB布局，是将开尔文检测的四线测试法，理解为将标准双焊盘拆分成四个独立的焊盘，以便为电流路径和电压检测分别提供独立的路径，而不会相互干扰影响。图3说明了普通四焊盘PCB布局此类布局电流路径和电压路径。用虚线箭头表示的电流路径。用实线箭头表示电压检测路径。

为了避免PCB布局及焊料影响电阻测试精度，需要为电压检测线，选择一个正确地布局方式。系统电流会在其流过路径上产生压降，但在检测电流密度较低的区域则会产生可以忽略不计的压降。可见，这种焊盘分离的思路可以消除部分测量中的焊点电阻，从而提高系统的电阻测试精度。

2 PCB布局设计

图3所示布局是对普通双焊盘方案的一种显著的改进，但是，在使用极低值电阻（0.5 mΩ或以下）时，焊盘上检测点的物理位置以及流经电阻的电流对称性的影响将变得更加显著。例如，R005是一款精密合金电阻，因此，电阻沿着焊盘每延伸一毫米，结果都会影响有效电阻。使用校准电流，通过比较六种PCB布局模式的压降，可以确定最佳PCB检测布局。

图4展示在测试PCB板上构建的六种布局模式，分别标记为A到F。我们尽可能把走线布局到沿着检测焊盘延伸的不同位置的测试点，表示为图中的X和Y检测点。各个电阻布局为：

A模式：基于传统的2512标准布局的标准4线焊盘设计（见图2(b)）。设置的两个电压检测点X和Y， X位于焊盘外缘，Y位于焊盘内缘。

B模式：与A类似，但为适应电极的焊盘，将焊盘向内延伸到与电极宽度同等大小，以便更好地覆盖焊盘区（见图2(a)）。设置的两个电压检测点X和Y，X位于焊盘外缘，Y检测点位于焊盘中心位置。

图1 开尔文测试法原理

图2 电极面尺寸和普通的4焊盘布局

图3 普通的4焊盘开尔文检测

C模式：升级为六焊盘设计，上下四个焊盘为对称的电流路径，检测点位于中央位置。同样设置X和Y两个电压检测点，X位于焊盘外缘，Y检测点位于焊盘中心位置。

D模式：与C类似，只是电流焊盘在最靠里的边缘部分连接。只使用了外部检测点X。

E模式： A和B的混合体。只延伸了电流路径的焊盘，电压检测路径的焊盘不变。电压检测点位置与A一样。

F模式：对普通双焊盘方案的改进。通过在双焊盘内侧引出两根单独的电压检测路径线，系统电流在流过较宽的焊盘时，电压检测端可以绕过绝大部分电极，直接电阻本体的边缘。最大限度的降低了电极电阻的影响。

在模板上涂抹焊料，并在回流炉中使用回流焊接。图5使用的是2512R005电阻。

3 测试步骤

测试方法如图6所示。为了方便计算和统计，将电流设置为电阻的额定电流20 A；电流为20 A时，通过0.5 mΩ电阻的理想压降为10 mV。使用艾德克斯恒流电源和电子负载输出20 A的标准电流通过电阻，为降低温度的上升对电压测试精度的影响。在加载电流后1 s内，在X检测点和Y检测点测量电阻产生的电压，以防止电阻温度升高时间过程带来影响。

图4 测试PCB板的布局

图5 检测电阻布局测试PCB板

图6 测试设置

表1 测得电压和误差

4 测试结果

对通过高电流主焊盘的电压进行测量，以展示与焊料电阻和PCB布局相关的误差。表1列出了采用图4所示检测焊盘位置测得的数据。

5 结果分析

以上所有的PCB布局中，内部的检测点X提供的结果较靠近真值。这表明，这些电阻是制造商根据电阻的总长度设计的。 而需注意的是，在未使用开尔文检测时，电阻测试的误差是23 %，这相当于约0.115 mΩ的电阻测试偏差。

由于结果的可比较性以及各电阻偏差都呈现出很清晰的差异，所以得出PCB布局F模式的误差最少。PCB布局F模式应为首选，因为它经过SMT焊接后，检测精度最高。

6 结论

检测走线的布局也会影响测量精度。为了实现最高精度，应在电阻边缘测量检测电压，图7为建议采用的PCB布局尺寸图，主要的设计思路为从电阻焊盘的中间引出，再根据实际的电路需求连接到主电路中。根据前面所示结果，最佳PCB布局是F模式，其预期测量误差小于0.5 %。该PCB布局为测试板的设计布局图如图8所示，可以批量测试产品的电阻值。

图7 建议PCB走线路图

图8 最佳PCB布局尺寸