Effektivt implementere strømovervågning ved hjælp af integrerede bidirektionelle strømsense-forstærkere

Der er behov for hurtig og præcis strømovervågning i et voksende antal applikationer, herunder autonome køretøjer, fabriksautomatisering og robotteknologi, kommunikation, energistyring af servere, klasse-D-lydforstærkere og medicinske systemer. I mange af disse applikationer er der behov for bidirektionel strømsensning, men det skal gøres effektivt og til minimale omkostninger.

Selv om det er muligt at bygge en bidirektionel strømsense-forstærker (CSA) ved hjælp af et par ensrettede CSA'er, kan det være en kompleks og tidskrævende proces. Det indebærer en separat rail-to-rail op-forstærker til at kombinere de to udgange til en enkelt udgang eller brug af to ADC-indgange (analog-til-digital-konverter) på mikrocontrolleren, hvilket kræver yderligere mikrocontroller-kodning og maskincyklusser. Endelig kan opbygningen af en bidirektionel CSA ved hjælp af to ensrettede CSA'er - plus de ekstra komponenter, der kræves for at integrere dem i en bidirektionel løsning - optage mere plads på printpladen, og det større antal dele kan reducere pålideligheden og øge lagerbehovet. Slutresultatet kan være overskridelser af omkostningerne og tidsplanen for projektering.

I stedet kan designere vende sig til integrerede, højhastigheds, præcision bidirektionelle CSA'er. De kan vælge mellem integrerede bidirektionelle CSA'er med interne shuntmodstande med lav induktans, der giver de mest kompakte løsninger, eller CSA'er, der bruger eksterne strømshunts for at give et mere fleksibelt design og layoutmuligheder.

I denne artikel gennemgås kravene til gennemførelsen af bidirektionelle CSA'er og fordelene ved en mere integreret tilgang. Derefter præsenteres eksempler på enheder fra STMicroelectronics, Texas Instruments og Analog Devices, herunder nøgleparametre og differentierende egenskaber. Endelig viser den, hvordan man kommer i gang med at lave design med disse enheder, herunder relaterede referencedesigns/evalueringskits/dev-kits og tips om design og implementering.

Sådan bruges to ensrettede CSA'er

Et bidirektionel CSA-kredsløb kan konstrueres på mere end én måde ved hjælp af to ensrettede CSA'er (figur 1). Analog Devices MAX4172ESA+T, der anvendes i eksemplet til venstre, indeholder ikke en intern belastningsmodstand og anvender derfor de diskrete enheder R_a og R_b. I eksemplet til højre har MAX4173TEUT+T en intern belastningsmodstand på 12 kΩ (12 kilohms) til at konvertere strømudgangen til en spænding.

Figur 1: Bidirektionelle strømsense-sapplikationer med to ensrettede strømsense-forstærkere kan implementeres ved hjælp af eksterne belastningsmodstande (til venstre) eller med en intern belastningsmodstand (til højre). (Billedkilde: Analog Devices)

MAX4173TEUT+T kredsløbet har ikke brug for de to belastningsmodstande, men tilføjer en kondensator på 1 nanofarad (nF) i sin feedback for at stabilisere kontrolsløjfen i del B. I begge tilfælde kombineres udgangsstrømmene fra de to CSA'er ved hjælp af en MAX4230AXK+T operationel forstærker til generelle formål.

Begge fremgangsmåder har et større antal dele, end hvad der ville være nødvendigt med en enkelt bidirektionel CSA. Ud over det større antal dele er printkortlayoutet mere komplekst, da begge de ensrettede CSA'er skal placeres tæt på V_SENSE-modstanden.

Eksempler på anvendelser med bidirektionelle-CSA'er

Bidirektionelle CSA'er er alsidige enheder og findes i en lang række forskellige applikationer. F.eks. kan to CSA'er anvendes i et trefaset servomotorsystem til at bestemme de øjeblikkelige viklingsstrømme for alle tre faser uden yderligere beregninger eller oplysninger om pulsbredde modulationens (PWM) pulsfaser eller duty cycles (Figur 2).

Figur 2: I en trefaset servomotor anvendelse kan to bidirektionelle CSA'er tilsluttes på tværs af sensor modstandene for fase 1 (_RSENSEΦ1) og fase 2 (_RSENSEΦ2) for at generere en spænding, der repræsenterer strømmen i den tredje fasevinding. (Billedkilde: Analog Devices)

Kirchhoff's lov siger, at summen af strømmene i de to første viklinger er lig med strømmen i den tredje vikling. Kredsløbet anvender to bidirektionelle CSA'er MAX40056TAUA+ til måling af tofasestrømmene, som summeres i MAX44290ANT+T-operationsforstærkeren til generelle formål. Da alle tre forstærkere har den samme referencespænding, opnås ratiometriske målinger.

I et andet eksempel kan en klasse D-lydforstærker, en enkelt bidirektionel CSA som f.eks. INA253A1IPW fra Texas Instruments, bruges til nøjagtig måling af højttaler belastningsstrømmen (figur 3).

Figur 3: I klasse-D-lyddesigns kan en bidirektionel CSA (INA253) bruges til at implementere højttalerforbedringer og -diagnostik. (Billedkilde: Texas Instruments)

Realtidsmålinger af højttaler-belastningsstrøm kan bruges til diagnosticering og til at optimere forstærkerens ydeevne ved at kvantificere vigtige højttaler-parametre og ændringer i disse parametre, herunder:

• Spole modstand
• Højttaler impedans
• Resonansfrekvens og toppunktsimpedans ved resonansfrekvensen
• Højttaler omgivelsestemperatur i realtid

Tips til printkortlayout og overvejelser om strømshunt

Parasitmodstand og induktans er et problem, når der implementeres strømsense-kredsløb. Desuden kan overskydende lodning og parasitær trace-modstand resultere i sense-fejl. Der anvendes ofte fire terminale strømsense-modstande. Hvis en modstand med fire terminaler ikke er en mulighed, skal der anvendes Kelvin-layoutteknikker for printkortet (figur 4).

Figur 4: Kelvin-sense traces skal være så tæt som muligt på loddekontaktpladerne på strømsense-modstanden. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved at placere Kelvin-sense trace'r så tæt som muligt på loddekontaktpunkterne for strømfølsningsmodstanden minimeres parasitmodstande. En større afstand mellem Kelvin-sense trace'r vil medføre en målefejl forårsaget af den ekstra trace-modstand.

Valg af sense-modstand er et vigtigt aspekt af minimering af parasitær induktans. Pakkeinduktanserne bør minimeres, da spændingsfejlen er proportional med belastningsstrømmen. Generelt har trådviklede modstande den højeste induktans, og standard metalfilm-enheder har en middelhøj induktans. Til strømsense-applikationer anbefales generelt metalfilmmodstande med lav induktivitet.

Værdien af shuntmodstanden er en afvejning mellem det dynamiske område og strømforbruget. Ved aflæsning af høj strøm anbefales det at bruge en shunt med lav værdi for at minimere den termiske dissipation (I²R). Ved lav strømssensning kan der anvendes en højere modstandsværdi for at minimere offsetspændingens indvirkning på sense-kredsløbet.

De fleste CSA'er anvender eksterne shunts til at måle strømmen, men der findes nogle CSA'er, som anvender interne strømshunts. Mens brugen af interne shunts kan resultere i mere kompakte designs med færre komponenter, er der flere kompromisser involveret, herunder mindre fleksibilitet, da shuntværdien er forudbestemt, et behov for en højere hvilestrøm sammenlignet med eksterne shunt CSA'er, og mængden af strøm, der kan måles, er begrænset af den interne shunts kapacitet.

Højspændings præcision bidirektionale CSA'er med høj spænding

TSC2011IST fra STMicroelectronics gør det muligt for designere at minimere strømforbruget ved at udnytte dens præcisionsfunktioner til at bruge eksterne strømshunts med lav modstand (Figur 5). Denne bidirektionelle CSA er designet til at levere præcisionsmålinger af strømmen i applikationer som f.eks. dataindsamling, motorstyring, magnetstyring, instrumentering, test og måling samt processtyring.

Figur 5: TSC2011IST har et nedlukningsben (SHDN) for at maksimere energibesparelser, og den fungerer i det industrielle temperaturområde fra -40 til 125 °C. (Billedkilde: STMicroelectronics)

TSC2011IST har en forstærkning på 60 volt/volt (V/V), et integreret EMI-filter (elektromagnetisk interferens) og en ESD-tolerance (human body model (HBM) på 2 kilovolt (kV) (i henhold til JEDEC-standard JESD22-A114F). TSC2011 kan registrere et spændingsfald på helt ned til 10 millivolt (mV) fuld skala for at give konsistente målinger. Dennes forstærkningsbåndbredde produkt på 750 kilohertz (kHz) og en strømningshastighed på 7,0 volt pr. mikrosekund (V/µs) sikrer høj nøjagtighed og hurtig respons.

Designere kan bruge STEVAL-AETKT1V2-evalueringskortet til hurtigt at komme i gang med at bruge TSC2011IST (Figur 6). Den kan registrere strøm over et bredt område af common mode-spændinger fra -20 til +70 volt. TSC2011IST har følgende funktioner:

• Forstærkningsfejl: 0,3 % max
• Offsetdrift: 5 µV maks.
• Drift af forstærkning: 10 ppm (parts per million)/°C maks.
• Hvilestrøm: 20 mikroampere (µA) i nedlukningstilstand

Figur 6: STEVAL-AETKT1V2-evalueringskortet omfatter hovedkortet og et datterkort, der indeholder TSC2011IST. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Intern shunt-bidirektionel CSA

INA253A1IPW fra Texas Instruments integrerer en 2 mΩ, 0,1% lav-induktans strømshunt med lav induktion og understøtter common mode-spændinger på op til 80 volt (Figur 7). INA253A1IPW giver designere et forbedret PWM-afvisningskredsløb til at undertrykke store dv/dt-signaler, hvilket muliggør kontinuerlige strømmålinger i realtid til applikationer såsom motordrift og magnetventilstyring. Den interne forstærker er udstyret med en præcisions-nul-drift-topologi med CMRR (Common Mode Rejection Ratio) på >120 decibel (dB) DC CMRR og 90 dB AC CMRR ved 50 kHz.

Figur 7: INA253A1IPW bidirektionel CSA, som her er vist i en typisk anvendelse, har en intern strømshunt og kan måle ±15 A kontinuerlig strøm fra -40 til +85 °C. (Billedkilde: Texas Instruments)

Designere kan fremskynde udviklingen af systemdesigns baseret på INA253A1IPW ved at bruge testpunkterne på det tilhørende INA253EVM-evalueringskort til at få adgang til CSA's funktionelle pins (Figur 8). Kortet med to lag måler 2,4 × 4,2 tommer og er fremstillet med 1 oz kobber.

Figur 8: INA253EVM med to lag måler 2,4 × 4,2 tommer og er fremstillet med 1 oz kobber. Bundlaget har ingen komponenter, men indeholder en massiv kobberjordplade, der giver en lavimpedansvej for returstrømme. (Billedkilde: Texas Instruments)

Der er et minimalt støttekredsløb på printkortet, og funktionerne kan omkonfigureres, fjernes eller omgås efter behov. INA253EVM har følgende funktioner:

• Tre INA253A1IPW-enheder
• Let adgang til alle ben
• Layout og konstruktion af printkortet understøtter en strømstyrke på ±15 A gennem INA253 CSA'erne i hele temperaturområdet fra -40 til +85 °C
• Placer holdere på printkortet til andre konfigurationer end standard konfigurationen

Bundlaget har ingen komponenter, men indeholder en massiv kobber jordplade, der giver en lavimpedansvej for returstrømme.

AEC-Q100 kvalificeret bedirektionelle CSA

Til overvågning af strømmene i fuldbro-motorstyringer, switching strømforsyninger, solenoider og batteripakker samt applikationer til bilindustrien kan designere bruge LT1999IMS8-20#TRPBF fra Analog Devices (Figur 9).

Figur 9: LT1999IMS8-20#TRPBF er en bidirektionelle CSA i en fuldbro overvågnings-applikation til armaturstrøm (Billedkilde: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF er AEC-Q100-kvalificeret til bilapplikationer og omfatter en nedlukningstilstand for at minimere strømforbruget. Enheden bruger en ekstern shunt til at måle både retningen og mængden af strømmen. Den producerer en proportional udgangsspænding, der er refereret midtvejs mellem forsyningsspændingen og jord. Designere har mulighed for at anvende en ekstern spænding til at indstille referenceniveauet.

LT1999IMS8-20#TRPBF går ind i en nedlukningstilstand med lav strøm, der trækker ca. 3 μA, når_VSHDN (ben 8) drives til mindre end 0,5 volt fra jord. Indgangsbenene (+IN og -IN) trækker ca. 1 nA, hvis de er forsynet inden for området 0 til 80 volt (uden differentialspænding). EMI-modtagelighed reduceres af et internt ^1. ordens, differentielt lavpas EMI-undertrykkelsesfilter, der hjælper med at afvise højfrekvente signaler uden for enhedens båndbredde.

For at eksperimentere med LT1999-serien kan Analog Devices levere et 1698A-demonstrationskort. Kortet forstærker spændingsfaldet over en indbygget strømsense modstand og producerer en bidirektionel udgangsspænding, der er proportional med strømmen gennem modstanden. Designere kan vælge mellem tre faste forstærkningsmuligheder: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) og 50 V/V (DC1698A-C).

Bidirektionel CSA med PWM-afvisning

For at forbedre afvisningen af PWM-kanter ved common-mode-indgang i konstruktioner, der styrer induktive belastninger som f.eks. solenoider og motorer, kan designere bruge MAX40056TAUA+ (Figur 10). MAX40056TAUA+, der blev nævnt tidligere i forbindelse med figur 2, er en bidirektionel CSA, der kan håndtere en slew-rate på ±500 volt/µs og derover. Den har en typisk CMRR på 60 dB (50 volt, ±500 volt/µs input) og 140 dB DC. Dennes common-mode-område er fra -0,1 volt til +65 volt og omfatter beskyttelse mod induktive tilbagekoblings-spændinger ned til -5 volt.

Figur 10: MAX40056TAUA+ indeholder en intern 1,5 volts reference, forbedret PWM-afvisning og en integreret intern vindue-komparator til at registrere både positive og negative overstrømsforhold (nederst til venstre, drevet af CIP-indgangen). (Billedkilde: Analog Devices)

Denne MAX40056TAUA+ har en intern 1,5 volts reference, der kan bruges til flere formål, herunder:

• Drift af en differentiel analog digital konverter
• Offsetting af udgangen for at vise retningen af den registrerede strøm
• Strømforsyning til eksterne belastninger for at afbøde ydelsesreduktioner

Når det er nyttigt med højere fuldskala udgangssvingninger eller ved forsyningsspændinger over 3,3 volt, kan designere tilsidesætte den interne reference med en højere ekstern spændingsreference. Endelig kan designere bruge enten den interne eller eksterne reference til at indstille tærskelværdien for udløsning af den integrerede overstrømmekomparator, hvilket giver et øjeblikkeligt signal om en overstrømsfejl.

MAX40056EVKIT#-evalueringskittet til MAX40056TAUA+ giver designere en gennemprøvet platform til udvikling af højpræcisions, højspændings bidirektionelle CSA-applikationer med høj præcision, såsom solenoiddrev og servo-motorstyring.

Konklusion

Der er behov for hurtig og præcis strømovervågning i en lang række applikationer, lige fra bilindustrien, fabriksautomatisering og robotteknologi til energistyring af servere, klasse-D-lydforstærkere og medicinske systemer. I mange tilfælde er der behov for bidirektionel strømssensning.

Heldigvis kan designere vælge mellem en række integrerede bidirektionelle CSA'er og deres tilhørende udviklingsplatforme for hurtigt og effektivt at implementere hurtig og præcis bidirektionel strømovervågning.

Anbefalet læsning

1. Brug sensorløs vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer til at levere præcis bevægelsesstyring
2. Sådan vælger og bruger du vinkelsensorer til servostyring, motorer og robotteknologi