高精度PCB设计必修课：探秘四线制开尔文连接的原理与布局要点

在 PCB 设计中，四线制电源接口结合开尔文连接（Kelvin Connection，又称四端连接）是实现高精度电源供电或电流 / 电压测量的核心技巧。其核心目的是消除导线电阻、接触电阻带来的电压误差，尤其适用于对供电精度要求高的场景（如精密传感器、ADC/DAC、大功率模块等）。

01 四线制电源接口与开尔文连接的关系

四线制电源接口的 4 根线分为两组：

●载流线（Force Lines）：2 根，负责传输主电流（I）。由于导线存在电阻（R），会产生压降（V=I×R）。

●检测线（Sense Lines）：2 根，仅用于检测负载两端的实际电压（V_load）。理想状态下电流≈0，因此自身压降可忽略。

开尔文连接的本质是：将载流线和检测线在物理上分离布线，让检测线直接 “感知” 负载端的真实电压，而非电源输出端或导线中途的电压，从而实现精准供电或测量。

下图为开尔文连接原理图，采用该连接方法的核心目的是为了消除下图中 ( R_l )（导线电阻）对于供电模块检测的影响，以实现高精度供电。

02 PCB 绘制中如何实现开尔文连接

以 “给负载（如精密模块）供电” 为例，四线制接口通常定义为：V+（载流正）、V-（载流负）、VS+（检测正）、VS-（检测负）。具体步骤如下：

接口引脚定义与连接目标

● 载流线（V+、V-）：直接连接电源输出端和负载的电源输入端，负责输送工作电流（需根据最大电流设计线宽，满足载流需求）。

● 检测线（VS+、VS-）：一端连接电源的 “电压反馈端”（若电源支持远程 sensing），另一端必须直接连接到负载的电源引脚处（而非载流线的中途），用于检测负载实际获得的电压。

核心布线原则

载流线与检测线严格分离：

● 两者不能共用铜皮或并行紧密布线（避免电磁耦合干扰检测信号）。

● 检测线应单独走细导线（因电流极小，线宽可远小于载流线），且路径尽可能短、直。

例如：载流线走粗线（如 2mm 宽，满足 10A 电流），检测线走细线（如 0.2mm 宽，仅传输 μA 级检测电流）。

检测线连接点 “靠近负载”：

● VS+ 必须直接焊盘到负载的 VCC 引脚，VS- 直接焊盘到负载的 GND 引脚（而非连接到载流线的 V+、V- 焊盘）。

● 原理：若检测点远离负载，检测线会包含载流线末端到负载的导线电阻压降，导致检测值仍有误差。

避免检测线引入噪声：

● 检测线传输的是微弱电压信号（用于反馈调节），需远离高频信号线、功率电感 / 变压器等噪声源。
● 若长度较长，可考虑在检测线两端并联小电容（如 100pF）滤除噪声。

与电源的闭环配合（若电源支持）

若供电电源自带 “远程检测（Remote Sense）” 功能（如精密线性电源、DC-DC 模块的 Sense 引脚），需将：

● 电源的 Sense+ 接四线制接口的 VS+
● 电源的 Sense- 接四线制接口的 VS-

● 电源的 Output+ 接 V+，Output- 接 V-

此时，电源会根据 VS+ 和 VS- 的差值（即负载实际电压）自动调节输出，补偿载流线的压降，确保负载端电压精准等于电源设定值。

接地处理（针对单端负载）

若负载为单端电路（仅需单电源，如 VCC 和 GND），四线制的 V- 和 VS- 通常共地，但需注意：

● VS- 的连接点必须是负载的 “本地 GND”（而非电源端 GND 或载流线的 GND）。

● 载流线的 GND（V-）和检测线的 GND（VS-）在负载端汇合，避免形成地环路。

03 适用场景与优势

● 高精度供电：如给 16 位以上 ADC 供电，需确保其参考电压 / 工作电压误差 < 1mV。开尔文连接可消除导线压降（即使 0.1Ω 导线流过 1A 电流，压降也有 0.1V，远超误差允许范围）。

● 精确电流测量：若用四线制测量电流（如在载流线串联采样电阻，检测线测电阻两端电压），开尔文连接可消除接触电阻对测量的影响。

04 常见错误与规避

四线制电源接口的开尔文连接核心是 “让检测线直达负载，与载流线物理隔离”。通过 PCB 布线的细节设计，可最大限度消除导线电阻的影响，实现精准供电或测量。

? 检测线与载流线并行布线：可能引入电磁干扰，导致检测电压波动。

? 检测点远离负载：如 VS+ 接在电源输出端而非负载端，失去补偿意义。

? 检测线过细或过长：过长会引入导线电阻（虽然电流小，但仍可能累积误差），过细可能因氧化导致接触不良。

05 常见四线制输出端口示例

在我们的ATX7006A测试系统中的AWG22、DPS、DRS这几种供电模块，信号产生模块均可选择四线制或二线制端口输出。

AWG22 中四线制输出端口

DRS 中四线制输出端口

DPS 中四线制输出端口

审核编辑 黄宇