在 PCB 設(shè)計中，四線制電源接口結(jié)合開爾文連接（Kelvin Connection，又稱四端連接）是實現(xiàn)高精度電源供電或電流 / 電壓測量的核心技巧。其核心目的是消除導(dǎo)線電阻、接觸電阻帶來的電壓誤差，尤其適用于對供電精度要求高的場景（如精密傳感器、ADC/DAC、大功率模塊等）。

01 四線制電源接口與開爾文連接的關(guān)系

四線制電源接口的 4 根線分為兩組：

●載流線（Force Lines）：2 根，負(fù)責(zé)傳輸主電流（I）。由于導(dǎo)線存在電阻（R），會產(chǎn)生壓降（V=I×R）。

●檢測線（Sense Lines）：2 根，僅用于檢測負(fù)載兩端的實際電壓（V_load）。理想狀態(tài)下電流≈0，因此自身壓降可忽略。

開爾文連接的本質(zhì)是：將載流線和檢測線在物理上分離布線，讓檢測線直接 “感知” 負(fù)載端的真實電壓，而非電源輸出端或?qū)Ь€中途的電壓，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)供電或測量。

下圖為開爾文連接原理圖，采用該連接方法的核心目的是為了消除下圖中 ( R_l )（導(dǎo)線電阻）對于供電模塊檢測的影響，以實現(xiàn)高精度供電。

02 PCB 繪制中如何實現(xiàn)開爾文連接

以 “給負(fù)載（如精密模塊）供電” 為例，四線制接口通常定義為：V+（載流正）、V-（載流負(fù)）、VS+（檢測正）、VS-（檢測負(fù)）。具體步驟如下：

接口引腳定義與連接目標(biāo)

● 載流線（V+、V-）：直接連接電源輸出端和負(fù)載的電源輸入端，負(fù)責(zé)輸送工作電流（需根據(jù)最大電流設(shè)計線寬，滿足載流需求）。

● 檢測線（VS+、VS-）：一端連接電源的 “電壓反饋端”（若電源支持遠(yuǎn)程 sensing），另一端必須直接連接到負(fù)載的電源引腳處（而非載流線的中途），用于檢測負(fù)載實際獲得的電壓。

核心布線原則

載流線與檢測線嚴(yán)格分離：

● 兩者不能共用銅皮或并行緊密布線（避免電磁耦合干擾檢測信號）。

● 檢測線應(yīng)單獨走細(xì)導(dǎo)線（因電流極小，線寬可遠(yuǎn)小于載流線），且路徑盡可能短、直。

例如：載流線走粗線（如 2mm 寬，滿足 10A 電流），檢測線走細(xì)線（如 0.2mm 寬，僅傳輸 μA 級檢測電流）。

檢測線連接點 “靠近負(fù)載”：

● VS+ 必須直接焊盤到負(fù)載的 VCC 引腳，VS- 直接焊盤到負(fù)載的 GND 引腳（而非連接到載流線的 V+、V- 焊盤）。

● 原理：若檢測點遠(yuǎn)離負(fù)載，檢測線會包含載流線末端到負(fù)載的導(dǎo)線電阻壓降，導(dǎo)致檢測值仍有誤差。

避免檢測線引入噪聲：

● 檢測線傳輸?shù)氖俏⑷蹼妷盒盘枺ㄓ糜诜答佌{(diào)節(jié)），需遠(yuǎn)離高頻信號線、功率電感 / 變壓器等噪聲源。
● 若長度較長，可考慮在檢測線兩端并聯(lián)小電容（如 100pF）濾除噪聲。

與電源的閉環(huán)配合（若電源支持）

若供電電源自帶 “遠(yuǎn)程檢測（Remote Sense）” 功能（如精密線性電源、DC-DC 模塊的 Sense 引腳），需將：

● 電源的 Sense+ 接四線制接口的 VS+
● 電源的 Sense- 接四線制接口的 VS-

● 電源的 Output+ 接 V+，Output- 接 V-

此時，電源會根據(jù) VS+ 和 VS- 的差值（即負(fù)載實際電壓）自動調(diào)節(jié)輸出，補(bǔ)償載流線的壓降，確保負(fù)載端電壓精準(zhǔn)等于電源設(shè)定值。

接地處理（針對單端負(fù)載）

若負(fù)載為單端電路（僅需單電源，如 VCC 和 GND），四線制的 V- 和 VS- 通常共地，但需注意：

● VS- 的連接點必須是負(fù)載的 “本地 GND”（而非電源端 GND 或載流線的 GND）。

● 載流線的 GND（V-）和檢測線的 GND（VS-）在負(fù)載端匯合，避免形成地環(huán)路。

03 適用場景與優(yōu)勢

● 高精度供電：如給 16 位以上 ADC 供電，需確保其參考電壓 / 工作電壓誤差 < 1mV。開爾文連接可消除導(dǎo)線壓降（即使 0.1Ω 導(dǎo)線流過 1A 電流，壓降也有 0.1V，遠(yuǎn)超誤差允許范圍）。

● 精確電流測量：若用四線制測量電流（如在載流線串聯(lián)采樣電阻，檢測線測電阻兩端電壓），開爾文連接可消除接觸電阻對測量的影響。

04 常見錯誤與規(guī)避

四線制電源接口的開爾文連接核心是 “讓檢測線直達(dá)負(fù)載，與載流線物理隔離”。通過 PCB 布線的細(xì)節(jié)設(shè)計，可最大限度消除導(dǎo)線電阻的影響，實現(xiàn)精準(zhǔn)供電或測量。

? 檢測線與載流線并行布線：可能引入電磁干擾，導(dǎo)致檢測電壓波動。

? 檢測點遠(yuǎn)離負(fù)載：如 VS+ 接在電源輸出端而非負(fù)載端，失去補(bǔ)償意義。

? 檢測線過細(xì)或過長：過長會引入導(dǎo)線電阻（雖然電流小，但仍可能累積誤差），過細(xì)可能因氧化導(dǎo)致接觸不良。

05 常見四線制輸出端口示例

在我們的ATX7006A測試系統(tǒng)中的AWG22、DPS、DRS這幾種供電模塊，信號產(chǎn)生模塊均可選擇四線制或二線制端口輸出。

AWG22 中四線制輸出端口

DRS 中四線制輸出端口

DPS 中四線制輸出端口

審核編輯 黃宇