一、为什么需要四端子测量
在精密电流测量中，我们面临一个不可忽视的问题：接触电阻。当分流器通过螺栓或焊接方式连接到电路中时，连接点会产生接触电阻，这些额外的电阻会导致测量误差。
以一个典型的100μΩ分流器为例，如果连接点的接触电阻为2μΩ（这在实际中很常见），那么误差就达到了2%——这对于需要0.5%甚至0.1%精度的应用来说是完全不可接受的。
开尔文（Kelvin）四端子技术正是为解决这一问题而设计的。
二、四端子测量原理
2.1 基本概念
四端子（也称四线制）测量法将电流通路和电压测量通路分离：
- 电流端子（Force）：用于通入被测电流，承受接触电阻和发热
- 电压端子（Sense）：用于检测电阻元件两端的电压降，不通过大电流
2.2 工作原理
在四端子配置中：
- 电流端子连接主回路，大电流流经分流器
- 电压端子直接连接到电阻元件的有效区域，用高阻抗仪表测量压降
- 由于电压测量回路几乎无电流流过，接触电阻上的压降可忽略
- 测得的电压只反映电阻元件本身的压降，与接触电阻无关
2.3 等效电路分析
二端子测量时，总电阻 = R分流器 + R接触1 + R接触2
四端子测量时，测得电阻 ≈ R分流器（接触电阻被排除）
这使得四端子测量的精度可以比二端子测量高出一个数量级以上。
三、四端子分流器的结构设计
3.1 端子布局
标准的四端子分流器通常具有以下结构：
- 两个大截面积的电流端子（通常带螺孔或铜排接口）
- 两个小尺寸的电压感应端子（通常为插针或螺丝端子）
- 电压端子位于电流端子内侧，靠近电阻元件
3.2 电压感应点位置
电压感应点的位置选择非常关键：
- 应位于电流分布均匀的区域
- 避免靠近端子焊接区域（电流分布不均）
- 两个感应点应对称布置
3.3 材料与工艺
- 电流端子：紫铜或黄铜，表面镀锡/镀镍
- 电压端子：铜或黄铜，小尺寸设计减少热量传导
- 电阻元件：锰铜等低TCR合金
- 焊接：电子束焊接或钎焊
四、应用电路设计要点
4.1 电压测量回路
- 高输入阻抗：运放或ADC输入阻抗应>10MΩ
- 低偏置电流：输入偏置电流应尽可能小
- 差分输入：使用仪表放大器或差分ADC
4.2 接线要求
- 电流线和电压线分开走线
- 电压感应线使用屏蔽双绞线
- 电压线尽量短，减少拾取噪声
- 屏蔽层单端接地
4.3 PCB设计
- 电流路径和感应路径在PCB上分离
- 感应走线细，避免分流
- 注意热电势影响，避免使用不同金属材料
五、常见问题与解决方案
5.1 热电势干扰
问题：不同金属材料接触处会产生热电势，温度梯度导致测量误差
解决：
- 使用同种材料的连接线
- 保持连接点温度均匀
- 采用交流激励或斩波技术消除直流偏移
5.2 电磁干扰
问题：大电流产生的磁场会在电压感应线上感应出干扰电压
解决：
- 电压感应线紧密双绞
- 远离大电流导体
- 合理布置走线方向
5.3 共模电压
问题：高边检测时分流器处于高电位，共模电压高
解决：
- 使用高共模抑制比的差分放大器
- 采用隔离测量方案
- 低边检测（如果系统允许）
六、实际应用示例
6.1 电池测试设备
电池充放电测试需要精确测量电流以计算容量。使用四端子分流器+24位ADC，可实现0.02%级电流测量精度。
6.2 智能电表
电能计量要求高精度和长期稳定性。四端子锰铜分流器是智能电表的标准方案，精度等级可达0.2S级。
6.3 大电流电源测试
开关电源、变频器等大电流设备的效率测试，四端子分流器配合精密功率分析仪，实现精确的功率测量。
七、总结
开尔文四端子技术是精密电流测量的基础，通过分离电流通路和电压测量通路，有效消除了接触电阻对测量的影响。在设计四端子测量系统时，需要注意端子布局、接线方式、PCB设计等细节，同时防范热电势和电磁干扰等问题。正确应用四端子技术，可以将分流器电流测量精度提升到0.1%甚至更高水平，满足储能、电动汽车、计量等领域的严苛要求。
