Implementera strömövervakning på ett effektivt sätt med integrerade dubbelriktade strömavkänningsförstärkare

En snabb och noggrann strömövervakning behövs i ett växande antal tillämpningar, för bland annat autonoma fordon, fabriksautomation och robotteknik, kommunikation, strömhantering för servrar, ljudförstärkare i klass-D och medicinska system. I många av dessa tillämpningar krävs en dubbelriktad strömavkänning, men det måste ske effektivt och till minimal kostnad.

Det är möjligt att bygga en dubbelriktad strömavkänningsförstärkare (CSA) med hjälp av ett par enkelriktade strömavkänningsförstärkare, men det kan vara en komplicerad och tidskrävande process. Det innebär användning av en separat operationsförstärkare som kombinerar de två utgångarna till en enkelriktad utgång, eller att två ingångar på en analog-till-digitalomvandlare skickar data till mikrokontrollern, vilket kräver ytterligare kodning av mikrokontrollern och maskincykler. Slutligen kan konstruktionen av en dubbelriktad strömavkänningsförstärkare med hjälp av två enkelriktade strömavkänningsförstärkare - samt de kringkomponenter som krävs för att integrera dem i en dubbelriktad lösning - ta mer plats på kretskortet, och det högre antalet delar kan minska tillförlitligheten och öka kraven på lagerhållning. Slutresultatet kan bli fördyrade kostnader och överskriden konstruktionsplanering.

Konstruktörer kan istället använda sig av integrerade, noggranna dubbelriktade strömavkänningsförstärkare med hög hastighet. De kan välja mellan integrerade dubbelriktade strömavkänningsförstärkare med inbyggda shuntmotstånd och låg induktans som ger de mest kompakta lösningarna, eller strömavkänningsförstärkare som använder externa strömshuntar för att ge mer flexibla konstruktions- och layoutalternativ.

Artikeln granskar implementationskraven på dubbelriktade strömavkänningsförstärkare och fördelarna med ett mer integrerat tillvägagångssätt. Därefter presenteras exempel på enheter från STMicroelectronics, Texas Instruments och Analog Devices, inklusive viktiga parametrar och särskiljande egenskaper. Den visar slutligen hur man kan komma igång med konstruktioner med dessa enheter, inklusive relaterade referenskonstruktioner/utvärderingssatser/utvecklingssatser och tips kring konstruktion och implementering.

Hur man använder två enkelriktade strömavkänningsförstärkare

En krets med en dubbelriktad strömavkänningsförstärkare kan konstrueras på mer än ett sätt med hjälp av två enkelriktade strömavkänningsförstärkare (figur 1). MAX4172ESA+T från Analog Devices, som används i exemplet till vänster, har ingen intern belastningsresistor och använder därför de diskreta enheterna R_a och R_b. I exemplet till höger har MAX4173TEUT+T ett inbyggt belastningsmotstånd på 12 kΩ för att omvandla strömutgången till en spänning.

Figur 1: Tillämpningar för dubbelriktad strömavkänning som använder två enkelriktade strömavkänningsförstärkare kan implementeras med en extern belastningsresistor (vänster) eller med en inbyggd belastningsresistor (höger). (Bildkälla: Analog Devices)

Även om kretsen MAX4173TEUT+T inte behöver de två belastningsresistorerna, lägger den till en kondensator på 1 nF i återkopplingen för att stabilisera styrslingan i del B. I båda fallen kombineras utgångsströmmarna från de två strömavkänningsförstärkarna med hjälp av operationsförstärkaren MAX4230AXK+T.

Båda tillvägagångssätten har ett större antal delar än vad som skulle krävas med en enda dubbelriktad strömavkänningsförstärkare. Förutom det större antalet delar är kretskortslayouten mer komplicerad eftersom de båda enkelriktade strömavkänningsförstärkarna måste placeras i närheten av resistorn _VSENSE.

Exempel på tillämpningar med dubbelriktade strömavkänningsförstärkare

Dubbelriktade strömavkänningsförstärkare är mångsidiga enheter som finns i en mängd olika tillämpningar. Två strömavkänningsförstärkare kan exempelvis användas i ett servomotorsystem med tre faser för att bestämma de momentana lindningsströmmarna för alla de tre faserna, utan någon ytterligare beräkning eller information om pulsbreddsmoduleringens (PWM) pulsfaser eller arbetscykler (figur 2).

Figur 2: I en servomotortillämpning med tre faser kan två dubbelriktade strömavkänningsförstärkare anslutas över en avkänningsresistor för fas 1 (_RSENSEΦ1) och fas 2 (_RSENSEΦ2) för att generera en spänning som representerar strömmen i den tredje faslindningen. (Bildkälla: Analog Devices)

Kirchhoffs lag säger att summan av strömmarna i de två första lindningarna är lika med strömmen i den tredje lindningen. Kretsen använder två dubbelriktade strömavkänningsförstärkare MAX40056TAUA+ för att mäta strömmarna i två faser, som summeras i operationsförstärkaren MAX44290ANT+T. Eftersom alla de tre förstärkarna har samma referensspänning, produceras radiometriska mätningar.

I ett annat exempel kan en ljudförstärkare i klass-D, såsom en enkel dubbelriktad strömavkänningsförstärkare som INA253A1IPW från Texas Instruments, användas för att noggrant mäta belastningsströmmen för en högtalare (figur 3).

Figur 3: I ljudkonstruktioner för klass-D kan en dubbelriktad strömavkänningsförstärkare (INA253) användas för att implementera förbättringar i högtalare och diagnostik. (Bildkälla: Texas Instruments)

Mätningar i realtid av belastningsströmmen för högtalare kan användas för diagnostik och för att optimera förstärkarens prestanda genom att kvantifiera viktiga högtalarparametrar och förändringar i dessa parametrar, inklusive:

• Spolens resistans
• Högtalarens impedans
• Resonansfrekvens och toppimpedans vid resonansfrekvensen
• Högtalarens omgivningstemperatur i realtid

Tips för layout på kretskortet och överväganden om strömshunt

Parasitresistans och induktans är ett problem när man implementerar strömavkännande kretsar. Dessutom kan överflödigt lödtenn och parasitresistans i kretskortsbanorna leda till avkänningsfel. Ofta används strömavkännande resistorer med fyra anslutningar. Om en resistor med fyra anslutningar inte är ett alternativ bör man använda Kelvin-teknik för kretskortets layout (figur 4).

Figur 4: Banorna för Kelvin-avkänning måste vara placerade så nära den strömavkännande resistorns lödpunkter som möjligt. (Bildkälla: Analog Devices)

Genom att placera kretskortsbanorna för Kelvin-avkänning så nära den strömavkännande resistorns lödpunkter som möjligt, så minimeras parasitresistansen. Ett större avstånd mellan kretskortsbanorna för Kelvin-avkänning kommer att introducera ett mätfel som orsakas av den extra resistansen i banorna.

Valet av avkänningsresistans är en viktig aspekt för att minimera parasitinduktansen. Kapslingens induktanser bör minimeras eftersom spänningsfelet är proportionellt mot belastningsströmmen. I allmänhet har trådlindade resistorer den högsta induktansen och vanliga metallfilmsresistorer en medelhög induktans. För strömavkännande tillämpningar rekommenderas i allmänhet metallfilmsresistorer med låg induktans.

Shuntmotståndets värde är en kompromiss mellan det dynamiska området och effektförlusten. För avkänning av höga strömmar rekommenderas användning av en shunt med lågt värde för att minimera den termiska spridningen (I²R). Vid avkänning av låga strömmar kan ett högre resistansvärde användas för att minimera offsetspänningens inverkan på avkänningskretsen.

De flesta strömavkänningsförstärkare använder externa shuntar för att mäta strömmen, men det finns några strömavkänningsförstärkare som använder inbyggda strömshuntar. Användningen av inbyggda shuntar kan leda till mer kompakta konstruktioner med färre komponenter, men det finns flera kompromisser, bland annat en lägre flexibilitet eftersom värdet på shunten är förutbestämt, ett behov av högre viloström jämfört med strömavkänningsförstärkare med externa shuntar, och den mängd ström som kan mätas är begränsad av den inbyggda shuntens kapacitet.

Dubbelriktade noggranna strömavkänningsförstärkare för hög spänning

TSC2011IST från STMicroelectronics gör det möjligt för konstruktörer att minimera strömförbrukningen genom att dra nytta av dess precisionsfunktioner som använder externa strömshuntar med låg resistans (figur 5). Denna dubbelriktade strömavkänningsförstärkare är utformad för att leverera exakta strömmätningar i tillämpningar som datainsamling, motorstyrning, solenoidstyrning, instrumentering, test och mätning samt processstyrning.

Figur 5: TSC2011IST har ett avstängningsstift (SHDN) för att maximera energibesparingen, och den arbetar inom det industriella temperaturområdet -40-125 °C. (Bildkälla: STMicroelectronics)

TSC2011IST har en förstärkning på 60 V/V, ett inbyggt EMI-filter (mot elektromagnetiska störningar) och en ESD-tolerans (ESD) på 2 kV enligt HBM-modellen (human body model) (i enlighet med JEDEC-standard JESD22-A114F). TSC2011 kan känna av en spänningsminskning ända ner till 10 mV i full skala för att ge konsekventa mätningar. Produkten av dess förstärkning-bandbredd på 750 kHz och en svängningshastighet på 7 V/µs garanterar en hög noggrannhet och snabb respons.

Konstruktörer kan använda utvärderingskortet STEVAL-AETKT1V2 för att snabbt komma igång med TSC2011IST (figur 6). Den kan känna av strömmen i ett stort intervall av gemensamma spänningar, från -20 till +70 V. Funktioner i TSC2011IST:

• Förstärkningsfel: 0,3 % max
• Avdrift offset: 5 µV/°C max
• Avdrift förstärkning: max. tio delar per miljon (ppm)/°C
• Viloström: 20 µA i avstängt läge

Figur 6: Utvärderingskortet STEVAL-AETKT1V2 omfattar huvudkortet och ett tilläggskort som innehåller TSC2011IST. (Bildkälla: STMicroelectronics)

En dubbelriktad strömavkänningsförstärkare med inbyggd shunt

INA253A1IPW från Texas Instruments har en inbyggd strömshunt med låg impedans på 2 mΩ, 0,1 % som har stöd för common mode-spänningar på upp till 80 V (figur 7). INA253A1IPW ger konstruktörer en förbättrad krets för PWM-avvisning, för att undertrycka stora dv/dt-signaler, vilket möjliggör kontinuerliga strömmätningar i realtid för tillämpningar såsom motordrift och styrning av solenoidventiler. Den interna förstärkaren har en precisionstopologi med nolldrift och CMRR (Common Mode Rejection Ratio) på >120 decibel (dB) DC CMRR och 90 dB AC CMRR vid 50 kHz.

Figur 7: Den dubbelriktade strömavkänningsförstärkaren INA253A1IPW, som här visas i en typisk tillämpning, har en inbyggd strömshunt och kan mäta ±15 A kontinuerlig ström från -40 till +85 °C. (Bildkälla: Texas Instruments)

Konstruktörer kan påskynda utvecklingen av systemkonstruktioner baserade på INA253A1IPW genom att använda testpunkterna på det tillhörande utvärderingskortet INA253EVM för att komma åt den strömavkänningsförstärkarens funktionsstift (figur 8). Kretskortet med två lager har måtten 60,9 × 106,6 mm och är tillverkat av 28,3 g koppar.

Figur 8: 1 INA253EVM med två lager har måtten 60,9 × 106,6 mm och är tillverkat av 28,3 g koppar. Det undre lagret har inga komponenter men innehåller ett massivt jordplan av koppar som skapar en väg med låg impedans för returströmmar. (Bildkälla: Texas Instruments)

Ett minimalt antal kringkretsar finns på kretskortet och funktioner kan konfigureras om, tas bort eller förbikopplas vid behov. INA253EVM har följande funktioner:

• Tre stycken INA253A1IPW
• Enkel åtkomst till alla stift
• Kortets layout och konstruktion har stöd för ±15 A ström genom strömavkänningsförstärkarna INA253 i hela temperaturområdet -40 till +85 °C
• Platshållare på kretskortet för andra konfigurationer än standardkonfigurationen

Det undre lagret har inga komponenter men innehåller ett massivt jordplan av koppar som skapar en väg med låg impedans för returströmmar.

Dubbelriktad strömavkänningsförstärkare som uppfyller AEC-Q100

För att övervaka strömmar i motorstyrningar med hel brygga, switchade nätaggregat, solenoider och batteripaket samt i fordonstillämpningar kan konstruktörer använda LT1999IMS8-20#TRPBF från Analog Devices (Figur 9).

Figur 9: LT1999IMS8-20#TRPBF är en dubbelriktad strömavkänningsförstärkare i en tillämpning för strömövervakning i en armatur med hel brygga. (Bildkälla: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF uppfyller AEC-Q100 för fordonstillämpningar och har ett avstängningsläge för att minimera strömförbrukningen. Enheten använder en extern shunt för att mäta både riktning och den mängd ström som flyter. Den producerar en proportionell utgångsspänning med en referens mitt emellan matningsspänning och jord. Konstruktörer har möjlighet att tillämpa en extern spänning för att ställa in referensnivån.

LT1999IMS8-20#TRPBF går in i ett avstängningstillstånd med låg effekt som drar cirka 3 μA när V_SHDN (stift 8) drivs ner till 0,5 V från jord. Ingångsstiften (+IN och -IN) drar ungefär 1 nA om de är förstärkta inom intervallet 0 till 80 V (utan att någon differentialspänning läggs på). EMI-benägenheten minskas av ett internt^1:a ordningens differentiellt lågpassfilter för EMI-undertryckning som hjälper till att avvisa högfrekventa signaler som ligger utanför enhetens bandbredd.

För att experimentera med LT1999-serien tillhandahåller Analog Devices demonstrationskortet 1698A. Kortet förstärker spänningsfallet över en inbyggd strömavkänningsresistor och producerar en dubbelriktad utspänning som är proportionell mot strömmen genom resistorn. Konstruktörer kan välja mellan tre fasta förstärkningsalternativ: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) och 50 V/V (DC1698A-C).

Dubbelriktad strömavkänningsförstärkare med PWM-avvisning

För att förbättra avvisningen av PWM-flanker på common-mode-ingångar i konstruktioner som styr induktiva laster som t.ex. solenoider och motorer kan konstruktörer använda MAX40056TAUA+ (figur 10). MAX40056TAUA+, som nämndes tidigare i samband med figur 2, är en dubbelriktad strömavkänningsförstärkare som kan hantera stig-/falltider på ±500 V/µs och högre. Den har en typisk CMRR på 60 dB (ingång för 50 V, ±500 V/µs) och 140 dB DC. Dess common-mode-område sträcker sig från -0,1 till +65 V och inkluderar skydd mot induktiva återkopplingsspänningar ned till -5 V.

Figur 10: MAX40056TAUA+ har en inbyggd referens på 1,5 V, förbättrad PWM-avvisning och en inbyggd intern fönsterkomparator för att upptäcka både positiva och negativa överströmsförhållanden (längst ner till vänster, som drivs av CIP-ingången). (Bildkälla: Analog Devices)

MAX40056TAUA+ har en inbyggd referens på 1,5 V som kan användas för flera olika ändamål, som exempelvis:

• Styrning av en differentiell analog-till-digitalomvandlare
• Förskjutning av utgången för att visa riktningen på den avkända strömmen
• Strömförsörjning till externa belastningar för att minska prestandaförlusterna

När högre fullskaliga stig-/falltider är användbara, eller för matningsspänningar över 3,3 V, kan konstruktörer åsidosätta den inbyggda referensen med en högre extern spänningsreferens. Slutligen kan konstruktörer använda antingen den inbyggda eller den externa referensen för att ställa in tröskelvärdet för utlösning av den integrerade överströmskomparatorn, som ger en omedelbar signal vid ett överströmsfel.

Utvärderingssatsen MAX40056EVKIT# för MAX40056TAUA+ ger konstruktörer en beprövad plattform för utveckling av tillämpningar med dubbelriktade strömavkänningsförstärkare för hög precision och hög spänning, som t.ex. solenoiddrivkretsar och servomotorstyrningar.

Sammanfattning

En snabb och noggrann strömövervakning behövs i allt större utsträckning för ett antal tillämpningar, allt från fordon, fabriksautomation och robotteknik till strömhantering för servrar, ljudförstärkare i klass-D och medicinska system. I många fall behövs en dubbelriktad strömavkänning.

Lyckligtvis kan konstruktörer välja mellan en mängd olika integrerade dubbelriktade strömavkänningsförstärkare och deras tillhörande utvecklingsplattformar för att snabbt och effektivt implementera en snabb och exakt dubbelriktad strömövervakning.

Rekommenderad läsning

1. Använd vektorstyrning utan givare med BLDC- och PMS-motorer för att leverera en exakt rörelsestyrning
2. Hur man väljer och använder vinkelgivare för servostyrning, motorer och robotteknik