Fehler und Fallen beim Design mit niederohmigen Strommesswiderständen (Shunts) vermeiden
Stephen Oxley | Business Development Engineer | TT Electronics
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH*
Die Fehlerursachen mit Strommesswiderständen (Shunts) verstehen
Die Verwendung eines niederohmigen Widerstands ist einfach und kostengünstig um einen Strom zu messen, hat jedoch den Nachteil eines Spannungsabfalls und Leistungsverlusts. Das hat zu einem breiten Angebot von Bauelementen im Sub-Milliohm-Bereich geführt. Nur: Je niedriger der ohmsche Wert ist, desto größer ist der Einfluss von Fehlerquellen, da die Empfindlichkeit diesen gegenüber zunimmt. Diese Fehlerquellen müssen in jeder Phase der Komponentenauswahl und -prüfung, über das PCB-Design, bis hin zur Fertigung selbst identifiziert und minimiert werden. Einhergehend mit dem Verständnis für diese Fehlerquellen ist Folgendes zu vermeiden:
- Prototypen funktionieren nicht wie erwartet
- Größere Abweichungen während der Serienfertigung als zugelassen
- Fehlalarme aufgrund vermeintlich schlechter Qualität der Bauelemente
Im Überblick: Die einzelnen Fehlerquellen, ihre Ursache, Wirkung und Minimierung
1. Gemeinsame Leitungen
Mit einem Widerstand im Milliohmbereich oder sogar darunter gewinnen Leitungswiderstände an relativer Bedeutung. Je höher die zu messenden Ströme sind, umso mehr kann der Spannungsabfall über die Messleitung einen unerwünschten Fehler bei der Messung der Spannung erzeugen. Aus diesem Grund sollte eine Vierleitermessung (Kelvinkontaktierung) angestrebt werden.
2. Elektromagnetische Verträglichkeit
Die Spannungsbereiche der Spannungsmessung am Strommesswiderstand sind aufgrund der geringen Widerstände sehr klein. Eingekoppelte Wechselströme über die Messschleife können deswegen eine merkliche Verfälschung der Messung bereiten. Abhilfe schafft man hier, in dem die Fläche der Schleife so klein gehalten wird wie möglich. Zusätzlich sind verdrillte Leitungen sinnvoll.
3. Thermoelektrische Spannungen und –effekte
Im Übergang zwischen unterschiedlichen Materialien wie Kupfer und Lot können thermoelektrische Spannungen entstehen, die die Messergebnisse der Spannungsmessung verfälschen können. Deshalb ist es wichtig das Layout des Strommesswiderstandes thermisch strikt symmetrisch auszulegen. Mit der Verwendung von Materialien oder Legierungen, die einen geringen thermoelektrischen Effekt gegenüber Kuper aufweisen kann diese Fehlerquelle ebenso minimiert werden.
4. Temperaturemfindlichkeit und –koeffizient des Widerstandselements
Widerstände besitzen einen Temperaturkoeffizienten bzw. verändern den Widerstand über die Temperatur. Diese ist von der Umgebung aber auch von der Eigenerwärmung abhängig. Der Temperaturkoeffizient des Widerstandselements ist deswegen ausreichend klein zu wählen. Da der Widerstand der Zuleitungen einen nennenswerten Einfluss haben kann, (siehe oben) ist der gemeinsame Pfad der Spannungs- und Strommessung zu minimieren.
5. Parasitäre Induktivitäten
Können die Impedanz und das Einschwingverhalten beeinflussen. Ferrithaltige Legierungen sind hierbei zu vermeiden und die Zuleitungslängen sind möglichst kurz zu halten.
Die Lokalisierung der Fehlerquellen
Die Auswahl des optimalen Bauelementes
Bei der Auswahl des optimalen Strommesswiderstands sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. In vielen Fällen hängen die Faktoren zusammen. Die wichtigsten zu wählenden Parameter sind:
- Der Widerstandswert
- Die Toleranz (wenn keine Software-Kalibrierung verwendet wird)
- Die Nennleistung
- Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR)
Die Zusammenhänge der Parameter sind in untenstehender Grafik verdeutlicht. In den ersten Schritten ist zu klären welcher maximale Strom gemessen wird und wie hoch die maximale Messspannung sein sollte bzw. welche Auflösung erreicht werden muss. Daraus ergeben sich die möglichen Widerstandswerte. Die Wahl eines geringen Temperaturkoeffizienten (TCR) und eine höhere Nennbelastbarkeit verringert die Anfälligkeit gegenüber Messfehlern. Meist ist das allerdings mit höheren Stückkosten verbunden. Mit dem Wissen um eine tolerable Messabweichung kann ein akzeptabler Kompromiss zwischen Performance und Kosten gefunden werden.
Zusammenhang der Parameter
Wie oben erwähnt ist eine Vierleiterkontkaktierung empfehlenswert. Hierfür gibt es unterschiedliche Anschlussarten bei den Widerständen:
| Anschlussart | Bild | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|---|
| Kelvinkontaktierung möglich 2 Anschlüsse | 1 | Geringe Kosten | Performance abhängig von der Platine |
| Semi Kelvinkontaktierung 4 Anschlüsse | 2 | Fehlersicheres Platinenlayout | Höhere Kosten |
| Echte Kelvinkontaktierung 4 Anschlüsse | 3 | Fehlersicheres Platinenlayout & Geringer TCR | Höchste Kosten |
Hinsichtlich der Wärmeableitung muss überlegt werden wo die Wärme hingehen sollte. Zwei Bauformen stehen zur Auswahl:
| Format | Beispiel | Kühlung | Vorteile |
|---|---|---|---|
| Offen | 1 | Hauptsächlich über die Luft | Geringe Beanspruchung der Lotverbindung |
| Chip | 2 | Hauptsächlich über die Platine | Geringe Kosten, niedriges Profil |
Layout der Leiterbahnen und Pads
Die Gestaltung des Platinenlayouts ist sehr kritisch hinsichtlich möglicher Fehlerquellen. Richtig ausgeführt wird es die Vierleiterverbindung sicherstellen, thermoelektrische Spannungen, Temperaturanstiege und EMV-Einkoppelungen minimieren.
Sicherstellung der Vierleiter-Verbindung
Im Falle der eher üblichen Verwendung von Widerständen mit 2 Anschlüssen ist die Vorbereitung der Vierleiterverbindung im Layout zu berücksichtigen:
Schlechtes Design aufgrund der gemeinsamen Leitung (keine Kelvinkontaktierung)
Gutes Design, die Kelvinkontaktierung wird berücksichtigt
Bestes Design, eliminiert die gemeinsame Leitung mit den Lotverbindungen
Minimierung der thermoelektrischen Spannungen
Ein gutes Layout minimiert die thermoelektrischen Spannungen, die durch Wärmequellen und Wärmesenken hervorgerufen werden. In Bezug auf Wärmeunterschiede ist auf ein symmetrisches Design zu achten:
Thermische Symmetrie hebt die thermischen Spannungen auf (V1 = V2)
Thermische Asymmetrie aufgrund einer Wärmequelle (V1 > V2)
Thermische Asymmetrie aufgrund einer Wärmesenke (V1 < V2)
Temperaturmanagement des Widerstandes
Mit Hilfe der Leiterplatte und –bahnen als Wärmesenke kann der Widerstand die volle Nennleistung erbringen. In diesem Fall sollte das Datenblatt die minimale Kupferfläche zeigen, die pro Terminal notwendig ist, um eine ausreichende thermische Ableitung zu bewerkstelligen. Wieviel Kupferfläche der Leitbahnen darf man für einen Anwendungsfall ansetzen? Eine konservative Regel besteht darin, zwei Quadrate entlang einer verbundenen Leiterbahn zu nehmen und diese Fläche zu summieren.
Man sollte beachten, dass selbst bei ausreichender Leiterbahnenfläche für die Wärmeableitung oder auch wenn der Widerstand nicht die volle Nennleistung abgibt, eine so weit wie möglich begrenzte Temperaturerhöhung die Genauigkeit verbessert.
Die Verwendung von Widerständen mit einem inversen Anschlussformat kann die Wärmeableitung über die Leiterbahnen aufgrund der größeren resultierenden Fläche vergrößern. Die breitere Verbindung zur Leiterbahn hat einen geringeren thermischen Widerstand.
Regel mit den doppelten Quadraten
Inverse Widerstände (Beispiel: TT Electronics Serie ULR3N)
Minimierung der EMV-Einkoppelungen
EMV-Einkoppelungen werden verringert indem die Fläche der Spannungsmessschleife minimiert wird. Sie sollten Flächen in den Ebenen senkrecht zu den X-, Y- und Z-Achsen berücksichtigen, wobei letztere wahrscheinlich am größten ist. Darüber hinaus ist es wichtig den Messverstärker nahe an den Widerstand zu positionieren sowie überlappende Leiterbahnen in verschiedenen PCB-Schichten zu verwenden.
Verdeutlichung der EMV-Problematik mit der Fläche, die durch die Spannungsmessschleife gebildet wird. Diese liegt für magnetische Felder senkrecht zur Z-Achse.
Die Messung sehr kleiner Widerstände
Die Messung sehr kleiner Widerstände erfordert Sorgfalt sowie die richtige Ausstattung und Geräte. Ein einfaches Multimeter reicht hier nicht aus. Gemeinsam mit der Kelvinverbindung ist es wichtig, bei Messungen im Sub-Milliohm-Bereich auf Folgendes zu achten:
- Stabilisierungszeit der Messvorrichtung
- Die Bildung durchschnittlicher Messwerte mit mehreren Messungen
- Mit umgekehrter Polung messen
Zwischen dem Einschalten und Gebrauch sollte ein Messsystem mindestens eine Stunde ruhen. Das linke Diagramm unten zeigt Messdaten einer Menge gleicher Typen von Widerständen, die im Verlauf der Messungen einen Aufwärtstrend des mittleren ohmschen Wertes anzeigen. Die Messung der Widerstände wurde willkürlich vorgenommen und kann nicht durch Prozesseinflüsse bei der Herstellung erklärt werden. Das Diagramm rechts zeigt die Ergebnisse der Messungen in gleicher Reihenfolge nach einer angemessenen Stabilisierungszeit.
Messung ohne Stabilisierungszeit
Messung mit Stabilisierungszeit
Ein spezielles Mikro-Ohmmeter sollte die folgenden Funktionen haben, die verwendet werden sollten:
- Mittelung mehrerer Messwerte über eine ganze Zahl von Netzfrequenzzyklen (n • 20ms bei 50Hz). Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Messsystems. Es minimiert auch den Effekt des Netzfrequenzrauschen, das in der Spannungsmessschleife aufgenommen wird. So wird sichergestellt, dass es sich über die Abtastdauer hinweg aufhebt
- Polaritätsumkehr während des Messzyklus, der darauf abzielt, unausgeglichene thermoelektrische Spannungen zu erkennen und zu korrigieren
- Hochstrom-Impulse am Beginn der Messung, um oxidierte Oberflächen zu durchstoßen und eine gute Verbindung zum zu prüfenden Widerstand herzustellen
Überprüfung des Widerstandwertes einer unmontierten Komponente
Die Messung eines unmontierten SMD-Shunt-Widerstands stellt eine erhöhte Herausforderung an die Aufnahmevorrichtung:
- Die Sondentypen sollten angemessen sein
- Der Sondenabstand sollte den Angaben des Herstellers entsprechen, da ansonsten das Material der Terminierung einen zu hohen Einfluss auf die Messung hat
- Die Art der Verbindung der Sonden sollte auch definiert werden, so dass bei einer Messung immer die Verbindung vom Messpunkt zum Messgerät bekannt ist. In der Regel ist das der normale und der gekreuzte Verbindungsaufbau
Die Standardkontaktabstände X und Y für die Tastspitzen sollten auf dem Datenblatt angegeben oder vom Hersteller anderweitig empfohlen werden. Das Kontaktbild der Sonde sollte in beiden Richtungen auf dem Bauteil zentriert sein. Es wird eine R&R-Studie ((Repeatability & Reproducibility --- Wiederholbarkeit & Reproduzierbarkeit) empfohlen, um die Leistung der Aufnahme-Vorrichtung zu überprüfen. Die Wiederholbarkeit überprüft die Abweichungen unterschiedlicher Messungen. Die Reproduzierbarkeit nimmt die Ausführung der Messungen durch mehr als eine Person hinzu.
Hochstrom-Tastspitzen vermeiden! Sie scheinen für diese Messung sinnvoll zu sein, aber die vermehrten Kontaktpunkte führen zu unsicheren Mustern des Stromflusses und zu Abweichungen bei den Messwerten
Die Verwendung von Stift-Sondenspitzen ergibt ein wiederholbares Muster des Stromflusses
Ein Sechsleiteranschluss kann spezifiziert werden und ergibt einen symmetrischen Stromfluss, der näher an dem des im montierten Zustand ist
Das Anschlussformat sollte ebenfalls spezifiziert werden und ist normalerweise mit Stromkontakten auf einer Seite des Chips und Spannungsfühlerkontakten auf der anderen.
Normales Verbindungsmuster
Ein Crossover-Verbindungsmuster kann verwendet werden, beeinflusst jedoch den gemessenen Wert
Dies liegt daran, dass der seitliche Stromfluss (Ilat) zu einer kleinen Verringerung der erfassten Spannung führt
Unmontierte Messungen unterscheiden sich von montierten Messungen in zweierlei Hinsicht:
Das Stromflussmuster ist bei Punktkontakten anders als bei großflächigen Kontakten. Der Kontaktabstand der Sonden muss größer sein als der minimal mögliche.
Aufgrund dieser Unterschiede zwischen unmontierter Messung und montierter Messung kann ein produktspezifischer Montageversatz definiert werden. Dieser ist normalerweise negativ:
Wert Montageversatz = Wert montiert– Wert unmontiert
Die Veränderung des Widerstandswertes aufgrund des Lötprozesses minimieren
Die Verlötung des Strommesswiderstandes hat einen Effekt auf den resultierenden Wert des Widerstandselementes. Hierzu wurde bei Widerständen im Sub-Milliohmbereich untersucht wie
- Die Stärke des Lots
- Voids (Lunker, Hohlräume) im Lot, die durch Flux oder Lufteinschluss entstehen
- Positionsfehler nach dem Verlöten
- Winkelfehler nach dem Verlöten
einen Einfluss haben Die Lotstärke zeigt einen eindeutigen Effekt auf die gemessenen Werte. Das wurde erwartet, da das Lot sich in der gemeinsamen Leitung befindet und sich im Widerstand addiert.
Die Auswirkung des Lots auf den resultierenden Wert des Widerstandes
Mit Messungen wurde eine Empfindlichkeit von ca. 30µΩ/mm gefunden bei einem Bauelement mit der Bauform 2512. Der Wert ist produktspezifisch und kann bei größeren Lotflächen kleiner sein. Je nach Widerstandswert ist er jedoch nicht zu vernachlässigen.
Empfindlichkeit der Lotstärke ca. 30µΩ/mm
Bei Längsverschiebungen (longitudinal) des Widerstandselementes bis ±100µm und Winkelfehler bis ±2° wurde keine Auswirkung auf den Widerstandswert gefunden.
Keine Empfindlichkeit bei Längsverschiebungen bis 100µm
Ebenso wurde keine Veränderungen des Widerstandes festgestellt mit bis zu 20% Voids (Lunker) im Lot, oder auch Voids in besonderer Nähe zu den Spannungsabgriffen für die Vierleitermessung.
Keine signifikante Abhängigkeit des Widerstandes vom Grad der Voids (Lunker) allgemein
Keine signifikante Abhängigkeit des Widerstandes vom Grad der Voids (Lunker) in der Nähe des Spannungsabgriffes
*Hinweis: Übertragung aus dem Englischen und Transformation einer Präsentation des Webinars "Avoiding the Pitfalls of Designing with Low Value Resistive Current Shunts" vom 08.07.2021.
