Effektiv implementering av strømovervåking ved å bruke integrerte toveis forsterkere med strømføling

Rask og nøyaktig strømovervåking er nødvendig i et økende utvalg av konstruksjoner, som omfatter autonome kjøretøy, fabrikkautomasjon og robotikk, kommunikasjon, strømstyring for servere, klasse D-audioforsterkere og medisinske systemer. I mange av disse konstruksjonene kreves toveis strømføling, men det må gjøres på en effektiv måte med minimale kostnader.

Selv om det er mulig å bygge en toveis forsterker med strømføling (CSA – current sense amplifier) ved å bruke et par enveis CSA-er, kan dette være en kompleks og tidkrevende prosess. Det innebærer en separat skinne-til-skinne-operasjonsforsterker som kombinerer de to utgangene til en usymmetrisk utgang (single-ended output), eller bruken av to A-D-omformerinnganger på mikrokontrolleren, som krever ekstra mikrokontrollerkoding og maskinsykluser. Til slutt innebærer det å bygge en toveis CSA ved hjelp av to enveis CSA-er – pluss de ekstra komponentene som kreves for å integrere dem i en toveis løsning – og økt bruk av kretskortplass. Det økte antallet deler kan også redusere påliteligheten og øke kravet til lagerbeholdning. Sluttresultatet kan være kostnadsoverskridelser og overskridelser i prosjekteringsplanen.

I stedet kan konstruktører bruke integrerte toveis CSA-er med høy hastighet og nøyaktighet. De kan velge mellom integrerte toveis CSA-er med interne shuntmotstander med lav induksjon som gir de mest kompakte løsningene, eller CSA-er som bruker eksterne strømshunter for å gi mer fleksible konstruksjons- og layoutalternativer.

Denne artikkelen gjennomgår kravene til implementering for toveis CSA-er og fordelene med en mer integrert tilnærming. Deretter introduserer den eksempelenheter fra STMicroelectronics, Texas Instruments og Analog Devices, som omfatter viktige parametere og differensierende egenskaper. Til slutt viser den hvordan man kommer i gang med konstruksjoner med disse enhetene, som omfatter relaterte referansekonstruksjoner/evalueringssett/utviklingssett og tips om konstruksjon og implementering.

Slik bruker du to enveis CSA-er

En toveis CSA-krets kan konstrueres på mer enn én måte ved å bruke to enveis CSA-er (figur 1). Analog Devices MAX4172ESA+T, som brukes i eksemplet til venstre, inkluderer ikke en intern lastmotstand, så den bruker derfor de diskrete enhetene R_a og R_b. I eksemplet til høyre har MAX4173TEUT+T en intern lastmotstand på 12 kilohm (kΩ) som konverterer strømutgangen til en spenning.

Figur 1: Toveis konstruksjoner med strømføling som bruker to enveis forsterkere med strømføling, kan implementeres ved å bruke eksterne lastmotstander (venstre) eller med en intern lastmotstand (høyre). (Bildekilde: Analog Devices)

Selv om den ikke trenger de to lastmotstandene, legger MAX4173TEUT+T-kretsen til en kondensator på 1 nanofarad (nF) i tilbakekoblingen (feedback) sin for å stabilisere styringssløyfen i del B. I begge tilfeller kombineres utgangsstrømmene fra de to CSA-ene ved hjelp av en MAX4230AXK+T-operasjonsforsterker for generell bruk.

Begge tilnærmingene har et deleantall som er høyere enn det som kreves når én enkelt toveis CSA brukes. I tillegg til det høye deleantallet, er kretskortlayouten mer kompleks siden begge de enveis CSA-ene må plasseres i nærheten av V_SENSE-motstanden.

Eksempler på konstruksjoner som bruker toveis CSA-er

Toveis CSA-er er allsidige enheter som finnes i et bredt utvalg av konstruksjoner. For eksempel kan to CSA-er brukes i et trefaset servomotorsystem for å fastsette de momentane viklingsstrømmene i alle de tre fasene, uten noen ekstra beregning eller informasjon om pulsfasene for pulsbreddemodulasjon (PWM) eller driftssykluser (figur 2).

Figur 2: I en trefaset servomotorkonstruksjon kan to toveis CSA-er kobles på tvers av strømfølende motstander for fase 1 (R_SENSEΦ1) og fase 2 (R_SENSEΦ2) for å generere en spenning som representerer strømmen i den tredje faseviklingen. (Bildekilde: Analog Devices)

Kirchhoffs lov sier at summen av strømmene i de to første viklingene er lik strømmen i den tredje viklingen. Kretsen bruker to MAX40056TAUA+ toveis CSA-er til å måle tofasestrømmene som summeres i MAX44290ANT+T-operasjonsforsterkeren for generell bruk. Siden alle tre forsterkere har samme referansespenning, blir det produsert ratiometriske målinger.

I et annet eksempel kan en klasse-D-audioforsterker, en enkelt toveis CSA som INA253A1IPW fra Texas Instruments, brukes til å nøyaktig måle laststrømmen til høyttalere (figur 3).

Figur 3: I klasse D-lydkonstruksjoner kan en toveis CSA (INA253) brukes til å implementere høyttalerforbedringer og diagnostikk. (Bildekilde: Texas Instruments)

Sanntidsmålinger av høyttalerlaststrøm kan brukes for diagnostikk og til å optimalisere forsterkerens ytelse ved å kvantifisere viktige høyttalerparametere og endringer i disse parametrene, deriblant:

• Spolemotstand
• Høyttalerens impedans
• Resonansfrekvens og toppimpedans ved den resonante frekvensen
• Omgivelsestemperaturen til høyttaleren i sanntid

Tips om kortlayout og hensyn til strømshunt

Parasittmotstand og -induktans er et problem under implementering av strømfølende kretser. Overskudd av loddetinn og parasittisk banemotstand kan også resultere i følefeil. Motstander med fire terminaler brukes ofte for strømføling. Hvis en motstand med fire terminaler ikke er et alternativ, bør bruken av Kelvin-layoutteknikker for kretskort følges (figur 4).

Figur 4: Kelvin-følebaner skal være så nærme loddekontaktplatene på den strømfølende motstanden som mulig. (Bildekilde: Analog Devices)

Plassering av Kelvin-følebanen så nærme den strømfølende motstandens loddekontaktplater som mulig, minimerer parasittmotstander. En bredere avstand mellom Kelvin-følebanene vil introdusere en målefeil forårsaket av den ekstra banemotstanden.

Valg av motstand med føling er et viktig aspekt når det gjelder å minimere parasittinduktans. Kapslingsinduktanser bør minimeres siden spenningsfeilen er proporsjonal med laststrømmen. Generelt sett har viklede motstander den høyeste induktansen, og standard metallfilmenheter har induktanser på mellomnivå. For bruksområder med strømføling anbefales vanligvis metallfilmmotstander med lav induktans.

Verdien til shuntmotstanden er et kompromiss mellom det dynamiske området og effekttapet. For strømføling for høye strømstyrker anbefales det at en shunt med lav verdi brukes til å minimere den termiske avledningen (I²R). Under strømføling for lave strømstyrker kan en motstand med høyere verdi brukes til å minimere virkningen av forskyvningsspenningen på følingskretsen.

De fleste CSA-er er avhengige av eksterne shunter for å måle strømmen, men det er noen CSA-er som bruker interne strømshunter. Selv om bruken av interne shunter kan resultere i mer kompakte konstruksjoner med færre komponenter, er det flere hensyn som må tas, deriblant: Mindre fleksibilitet siden verdien til shunten er forhåndsbestemt, behov for høyere hvilestrøm sammenlignet med CSA-er med ekstern shunt, og strømmengden som kan måles er begrenset av egenskapene til den interne shunten.

Nøyaktige toveis CSA-er med høy spenning

TSC2011IST fra STMicroelectronics gjør det mulig for konstruktører å minimere effektavledning ved å dra nytte av de nøyaktige egenskapene slik at eksterne strømshunter med lav motstand kan brukes (figur 5). Denne toveis CSA-en er konstruert for å gi nøyaktige strømmålinger for bruksområder som datainnsamling, motorstyring, solenoidstyring, instrumentering, testing og måling og prosessstyring.

Figur 5: TSC2011IST inkluderer en avstengningspinne (SHDN) for å maksimere energibesparelser, og den opererer over et industrielt temperaturområde på −40 til 125 °C. (Bildekilde: STMicroelectronics)

TSC2011IST har en forsterkning på 60 volt/volt (V/V), et integrert filter for elektromagnetisk interferens (EMI) og 2 kilovolt (kV) HBD (Human Body Model) toleranse mot elektrostatisk utladning (ESD) (i henhold til JEDEC-standarden JESD22-A114F). TSC2011 kan detektere et spenningsfall så lavt som 10 millivolt (mV) i full skala for å gi konsistente målinger. Dens forsterkningsbåndbredde-produkt på 750 kilohertz (kHz) og svinghastighet på 7,0 volt per mikrosekund (V/µs) kombineres for å sikre høy nøyaktighet og rask respons.

Konstruktører kan bruke evalueringskortet STEVAL-AETKT1V2 til å raskt komme i gang med TSC2011IST (figur 6). Den kan føle strøm over et bredt spekter av fellesmodus-spenninger, fra –20 til +70 volt. Funksjonene til TSC2011IST:

• Forsterkningsfeil: 0,3 % maks.
• Forskyvningsdrift: 5 µV/°C maks.
• Forsterkningsavvik: 10 ppm/°C maks.
• Hvilestrøm: 20 µA i avslåingsmodus

Figur 6: STEVAL-AETKT1V2-evalueringskortet inkluderer hovedkortet og et datterkort som inneholder TSC2011IST. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Toveis CSA med intern shunt

INA253A1IPW fra Texas Instruments integrerer en 2 mΩ, 0,1 % lavinduktans strømshunt, som støtter fellesmodusspenninger på opptil 80 volt (figur 7). INA253A1IPW gir konstruktører en forbedret PWM-dempekrets for å undertrykke store dv/dt-signaler, noe som muliggjør kontinuerlig strømmåling i sanntid for bruksområder som styring av motordrift og magnetventiler. Den interne forsterkeren har en nøyaktig nullpunktdrift-topologi med fellesmodus-demping (CMRR – common-mode rejection ratio) på >120 desibel (dB) DC CMRR og 90 dB AC CMRR ved 50 kHz.

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

Konstruktører kan akselerere utviklingen av systemkonstruksjoner basert på INA253A1IPW ved å bruke testpunktene på det tilknyttede INA253EVM-evalueringskortet for å få tilgang til funksjonspinnene til CSA-en (figur 8). Tolagskortet måler 6,1 x 10,7 cm (2,4 × 4,2 tommer) og er produsert med 28,3 g (1 oz) kobber.

Figur 8: Det to-lags INA253EVM-kortet måler 6,1 x 10,7 cm (2,4 × 4,2 tommer) og er produsert med 28,3 g (1 oz) kobber. Bunnlaget har ingen komponenter, men det har et massivt horisontalt projeksjonsplan av kobber som gir en lavimpedansbane for returstrømmer. (Bildekilde: Texas Instruments)

Minimalt med støttekretser er inkludert på kretskortet, og funksjoner kan rekonfigureres, fjernes eller omgås etter behov. INA253EVM har følgende funksjoner:

• Tre INA253A1IPW-enheter
• Enkel tilgang til alle pinner
• Kortlayout og konstruksjon som støtter ±15 A strøm gjennom INA253 CSA-ene på tvers av hele temperaturområdet på mellom –40 og +85 °C
• Plasser holdere på kretskortet for andre konfigurasjoner enn standardkonfigurasjonen

Bunnlaget har ingen komponenter, men det har et massivt horisontalt projeksjonsplan av kobber som gir en lavimpedansbane for returstrømmer.

AEC-Q100-kvalifisert toveis CSA

For å overvåke strømmer i helbro-motorstyringer, ikke-lineære strømforsyninger, solenoider og batteripakker, samt bruksområder for kjøretøy, kan konstruktører bruke LT1999IMS8-20#TRPBF fra Analog Devices (Figur 9).

Figur 9: LT1999IMS8-20#TRPBF er en toveis CSA i helbrokonstruksjon for strømovervåking av armatur. (Bildekilde: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF er AEC-Q100-kvalifisert for bruksområder i kjøretøy og omfatter en avslåingsmodus for å minimere strømforbruk. Enheten bruker en ekstern shunt for å måle både retning og hvor mye strøm som strømmer. Den produserer en proporsjonal utgangsspenning som brukes som referanse midt mellom forsyningsspenningen og jord. Konstruktører har muligheten til å påføre en ekstern spenning for å angi referansenivået.

LT1999IMS8-20#TRPBF går inn i en avslåingstilstand med lavt strømforbruk som trekker omtrent 3 μA når V_SHDN (pinne 8) drives til innenfor 0,5 volt i forhold til jord. Inngangspinnene (+IN og –IN) vil trekke ca. 1 nanoampere (nA) hvis forspenningen ligger i området mellom 0 og 80 volt (uten noen differensialspenning påført). EMI-følsomhet reduseres med en intern 1^st rekkefølge, differensielt lavpass EMI-undertrykkelsesfilter som hjelper til med å avvise høyfrekvente signaler utenfor enhetens båndbredde.

For å eksperimentere med LT1999-serien, tilbyr Analog Devices demonstrasjonskortet 1698A. Kortet forsterker spenningsfallet på tvers av en integrert strømfølende motstand og produserer en toveis utgangsspenning som er proporsjonal med strømmen som går gjennom motstanden. Konstruktører kan velge mellom tre faste forsterkningsalternativer: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) og 50 V/V (DC1698A-C).

Toveis CSA med PWM-demping

For å forbedre dempingen til fellesmodus-inngangen for PWM-kantene i konstruksjoner som styrer induktive laster, som solenoider og motorer, kan konstruktører bruke MAX40056TAUA+ (figur 10). Som nevnt tidligere i forbindelse med figur 2, er MAX40056TAUA+ en toveis CSA som kan håndtere svinghastigheter på ±500 volt/µs og høyere. Den har en typisk CMRR på 60 dB (50 volt, ±500 volt/µs inngang) og 140 dB DC. Fellesmodusområdet er fra –0,1 volt til +65 volt og inkluderer beskyttelse mot induktive tilbakeslagspenninger (kickback voltages) ned til –5 volt.

Figur 10: MAX40056TAUA+ inkluderer en intern 1,5-volts referanse, forbedret PWM-demping og en integrert intern vinduskomparator for å detektere både positive og negative overstrømsforhold (nederst til venstre, drevet av CIP-inngangen). (Bildekilde: Analog Devices)

Denne MAX40056TAUA+ har en intern 1,5-volts referanse som kan brukes til flere formål, deriblant:

• Drive en differensiell analog digital omformer
• Forskyve utgangen slik at den viser retningen til den følte strømmen
• Innhente strøm i eksterne laster for å redusere ytelsesreduksjoner

Når høyere utgangssvingninger i fullskala er nyttige, eller for forsyningsspenninger over 3,3 volt, kan konstruktører overstyre den interne referansen med en høyere ekstern spenningsreferanse. Til slutt kan konstruktører bruke enten den interne eller den eksterne referansen til å angi terskelen for å utløse den integrerte overstrømskomparatoren, noe som gir et umiddelbart signal om en overstrømsfeil.

MAX40056EVKIT#-evalueringssettet for MAX40056TAUA+ gir konstruktører en utprøvd plattform for utvikling av svært nøyaktige, høyspente toveis CSA-konstruksjoner som solenoiddrivere og servomotorstyringer.

Konklusjon

Rask og nøyaktig strømovervåking er nødvendig for et mangfold av konstruksjoner, deriblant kjøretøy, fabrikkautomasjon og robotikk, strømstyring for servere, klasse D-audioforsterkere og medisinske systemer. I mange tilfeller er toveis strømføling nødvendig.

Heldigvis kan konstruktører velge mellom en rekke integrerte toveis CSA-er, samt de tilknyttede utviklingsplattformene, så de kjapt og effektivt kan implementere toveis strømovervåking som er rask og nøyaktig.

Anbefalt lesing

1. Bruk sensorfri vektorstyring med BLDC- og PMS-motorer til å levere nøyaktig bevegelsesstyring
2. Slik velges og brukes vinkelsensorer for servostyring, motorer og robotikk