在 PCB 設計中，四線制電源接口結合開爾文連接（Kelvin Connection，又稱四端連接）是實現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系

四線制電源接口的 4 根線分為兩組：

●載流線（Force Lines）：2 根，負責傳輸主電流（I）。由于導線存在電阻（R），會產生壓降（V=I×R）。

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

開爾文連接的本質是：將載流線和檢測線在物理上分離布線，讓檢測線直接 “感知” 負載端的真實電壓，而非電源輸出端或導線中途的電壓，從而實現精準供電或測量。

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 )（導線電阻）對于供電模塊檢測的影響，以實現高精度供電。

02 PCB 繪制中如何實現開爾文連接

以 “給負載（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）、VS+（檢測正）、VS-（檢測負）。具體步驟如下：

接口引腳定義與連接目標

● 載流線（V+、V-）：直接連接電源輸出端和負載的電源輸入端，負責輸送工作電流（需根據最大電流設計線寬，滿足載流需求）。

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

核心布線原則

載流線與檢測線嚴格分離：

● 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）。

● 檢測線應單獨走細導線（因電流極小，線寬可遠小于載流線），且路徑盡可能短、直。

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

檢測線連接點 “靠近負載”：

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

● 原理：若檢測點遠離負載，檢測線會包含載流線末端到負載的導線電阻壓降，導致檢測值仍有誤差。

避免檢測線引入噪聲：

● 檢測線傳輸的是微弱電壓信號（用于反饋調節），需遠離高頻信號線、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小電容（如 100pF）濾除噪聲。

與電源的閉環配合（若電源支持）

若供電電源自帶 “遠程檢測（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 VS+ 和 VS- 的差值（即負載實際電壓）自動調節輸出，補償載流線的壓降，確保負載端電壓精準等于電源設定值。

接地處理（針對單端負載）

若負載為單端電路（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-）在負載端匯合，避免形成地環路。

03 適用場景與優勢

● 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線壓降（即使 0.1Ω 導線流過 1A 電流，壓降也有 0.1V，遠超誤差允許范圍）。

● 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 常見錯誤與規避

四線制電源接口的開爾文連接核心是 “讓檢測線直達負載，與載流線物理隔離”。通過 PCB 布線的細節設計，可最大限度消除導線電阻的影響，實現精準供電或測量。

? 檢測線與載流線并行布線：可能引入電磁干擾，導致檢測電壓波動。

? 檢測點遠離負載：如 VS+ 接在電源輸出端而非負載端，失去補償意義。

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

05 常見四線制輸出端口示例

在我們的ATX7006A測試系統中的AWG22、DPS、DRS這幾種供電模塊，信號產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