Az áramfigyelés hatékony megvalósítása integrált áramkörös kétirányú áramérzékelő erősítőkkel

Gyors és pontos áramfigyelésre egyre többféle területen van szükség, többek között az önvezető járművek, a gyárautomatizálás és a robotika, a kommunikáció, a kiszolgálók energiagazdálkodása, a D osztályú hangerősítők és orvosi rendszerek esetében. Számos ilyen alkalmazásban kétirányú áramérzékelésre van szükség, és ezt hatékonyan és minimális költséggel kell megvalósítani.

Bár lehet kétirányú áramérzékelő erősítőt (CSA) építeni egy pár egyirányú áramérzékelő erősítőt használva is, de ez bonyolult és időigényes folyamat lehet. Ez a megoldás egy két sín között elhelyezett külön műveleti erősítőt tartalmaz, amelynek feladata a két kimenet együtemű kimenetté egyesítése, vagy két analóg-digitális átalakító (ADC) bemenetet használ a mikrovezérlőn, ami a mikrovezérlő további kódolását és további gépi ciklusokat igényel. Végezetül pedig a kétirányú áramérzékelő erősítő két egyirányú áramérzékelő erősítő felhasználásával történő megépítése – plusz a kétirányú megoldásba való beillesztésükhöz szükséges további alkatrészek – több helyet foglalhat az áramköri lapon, és a nagyobb alkatrészszám csökkentheti a megbízhatóságot, és növelheti a raktárkészletigényt. A végeredmény a költségek és a tervezési ütemterv túllépése lehet.

Ehelyett a tervezők használhatnak integrált áramkörös, nagy sebességű, precíziós kétirányú áramérzékelő erősítőket. Választhatnak a legkisebb méretű megoldásokat eredményező, kis induktivitású belső söntellenállásokkal ellátott integrált áramkörös kétirányú áramérzékelő erősítők és a rugalmasabb kialakítást és elrendezési lehetőségeket biztosító külső áramsöntöket használó áramérzékelő erősítők között.

Ez a cikk a kétirányú áramérzékelő erősítők megvalósítási követelményeit és a nagyobb integráltságú megoldás előnyeit tekinti át. Ezután az STMicroelectronics, a Texas Instruments és az Analog Devices eszközeit használó példákat mutat be, beleértve a legfontosabb paramétereket és megkülönböztető jellemzőket is. Végezetül azt tárgyalja, hogyan kezdjen hozzá az ezen eszközök használatára épülő tervezéshez, beleértve a kapcsolódó referenciaterveket/értékelőkészleteket/fejlesztőkészleteket, valamint a tervezéssel és megvalósítással kapcsolatos ötleteket.

Két egyirányú áramérzékelő erősítő használata

A kétirányú áramérzékelő erősítő áramkör két egyirányú áramérzékelő erősítő felhasználásával többféleképpen is felépíthető (1. ábra). A bal oldali példában használt Analog Devices MAX4172ESA+T nem tartalmaz belső terhelő ellenállást, ezért az R_a and R_b diszkrét ellenállás használja. A jobb oldali példában a MAX4173TEUT+T rendelkezik egy belső 12 kΩ-os terhelő ellenállással, hogy kimenő áramot feszültséggé alakítsa.

1. ábra: A két egyirányú áramérzékelő erősítőt használó kétirányú áramérzékelő eszközök megvalósíthatók külső terhelő ellenállással (balra) és belső terhelő ellenállással (jobbra) (kép: Analog Devices)

Ugyan a két terhelő ellenállásra nincs szüksége, de a MAX4173TEUT+T eszköz esetében egy 1 nF-os kondenzátorral egészítik ki a visszacsatolást, hogy stabilizálja a B rész szabályozóhurkát. A két áramérzékelő erősítő kimeneti áramát mindkét esetben egy MAX4230AXK+T általános célú műveleti erősítő használatával egyesítik.

Mindkét megoldás több alkatrészt igényel, mint amennyire egyetlen kétirányú áramérzékelő erősítőt használva lenne szükség. A nagyobb alkatrészszám mellett a nyomtatott áramköri lap elrendezése is bonyolultabb, mert mindkét egyirányú áramérzékelő erősítőt a V_SENSE ellenállás közvetlen közelében kell elhelyezni.

Példák kétirányú áramérzékelő erősítőt használó megoldásokra

A kétirányú áramérzékelő erősítők sokoldalú eszközök, és számos készülékben megtalálhatók. Használható például két áramérzékelő erősítő egy háromfázisú szervomotoros rendszerben mindhárom fázis pillanatnyi tekercsáramának meghatározására, minden további számítás vagy az impulzusszélesség-modulációs (PWM) impulzusfázisokra vagy munkaciklusokra vonatkozó adat nélkül (2. ábra).

2. ábra: Egy háromfázisú szervomotoros áramkörben két kétirányú áramérzékelő erősítő csatlakoztatható az 1. fázis (R_SENSEΦ1) és a 2. fázis (R_SENSEΦ2) érzékelő ellenállásához, hogy a harmadik fázis tekercsében folyó árammal arányos feszültséget hozzon létre (kép: Analog Devices)

A Kirchhoff-törvény kimondja, hogy az első két tekercsben folyó áramok összege megegyezik a harmadik tekercsben folyó árammal. Az áramkör két MAX40056TAUA+ kétirányú áramérzékelő erősítőt használ a két fázis áramának mérésére, és ezeket az áramértékeket a MAX44290ANT+T általános célú műveleti erősítő összegzi. Mivel mindhárom erősítőnek ugyanaz a referenciafeszültsége, arányméréses (logomerikus) mérések készülnek.

Egy másik példában, amely egy D osztályú hangerősítőt ábrázol, egy egyszerű kétirányú áramérzékelő erősítő, például a Texas Instruments INA253A1IPW használható a hangszóró terhelőáramának pontos megmérésére (3. ábra).

3. ábra: A D osztályú hangerősítőknél egy kétirányú áramérzékelő erősítő (INA253) használható a hangszórók teljesítményének javítására és diagnosztikai célokra (kép: Texas Instruments)

A hangszóró terhelőáramának valós idejű mérései diagnosztikára és az erősítő teljesítményének optimalizálására használhatók a legfontosabb hangszóró-paraméterek és az azokban bekövetkező változások számszerűsítésével, beleértve az alábbiakat:

• a tekercs ellenállása
• a hangszóró impedanciája
• rezonanciafrekvencia és csúcsimpedancia a rezonanciafrekvencián
• a hangszóró valós idejű környezeti hőmérséklete

Áramkörilap-elrendezési tanácsok és az áramsönttel kapcsolatos szempontok

Az áramérzékelő áramkörök kialakításakor aggodalomra ad okot a parazita ellenállás és induktivitás. Emellett a túl sok forraszanyag és az áramvezető csíkok parazita ellenállása is érzékelési hibákat eredményezhet. Gyakran használnak négyérintkezős áramérzékelő ellenállásokat. Ha a négyérintkezős ellenállás nem jöhet szóba, akkor a Kelvin-féle áramkörilap-elrendezési technikákat kell követni (4. ábra).

4.ábra: A Kelvin-féle érzékelés esetében az érzékelővezetékeknek a lehető legközelebb kell lenniük az áramérzékelő ellenálláson lévő forraszpontokhoz (kép: Analog Devices)

A Kelvin-féle érzékelés érzékelővezetékeinek az áramérzékelő ellenállás forraszpontjaihoz a lehető legközelebb helyezése minimálisra csökkenti a parazita ellenállásokat. Ha a Kelvin-féle érzékelés érzékelővezetékei nagyobb távolságra vannak a forraszpontoktól, az az érzékelővezetékek ellenállása következtében mérési hibát okoz.

Az érzékelő ellenállás kiválasztása fontos szempont a parazita induktivitás minimálisra csökkentésében. A tokozás induktivitásait minimálisra kell csökkenteni, mert a feszültséghiba a terhelőárammal arányos. Általában a tekercselt huzalellenállásoknak van a legnagyobb induktivitásuk, a hétköznapi fémréteg-ellenállások induktivitása pedig közepes. Az áramérzékelő alkalmazásokhoz általában kis induktivitású fémréteg-ellenállások használata ajánlott.

A söntellenállás értéke a dinamikatartomány és az energiaveszteség közötti kompromisszum eredménye. Nagy áramerősség érzékeléséhez ajánlott kis értékű söntöt használni a hőtermelődés (I²R) minimálisra csökkentése érdekében. Kis áramerősség érzékelése esetén nagyobb értékű ellenállást lehet használni, hogy minimálisra csökkentsük az eltolási feszültség hatását az érzékelő áramkörre.

A legtöbb áramérzékelő erősítő az áramerősség méréséhez külső söntökre támaszkodik, de vannak olyan áramérzékelő erősítők, amelyek belső áramsöntöket használnak. Míg a belső söntök használata kisebb méretet eredményezhet kevesebb alkatrésszel, számos kompromisszummal jár, többek között a következőkkel: kisebb rugalmasság, mert a söntellenállás értéke adott, a külső söntellenállásos áramérzékelő erősítőkhöz képest nagyobb nyugalmi áramra van szükség, és a mérhető áramerősséget korlátozzák a belső söntellenállás képességei.

Nagyfeszültségű precíziós kétirányú áramérzékelő erősítők

Az STMicroelectronics TSC2011IST jelű eszköze lehetővé teszi a tervezők számára az energiaveszteség minimálisra csökkentését, kihasználva saját precíziós képességeit, melyek révén kis ellenállású külső áramsöntöket tud használni (5. ábra). Ezt a kétirányú áramérzékelő erősítőt arra tervezték, hogy precíziós árammérést tegyen lehetővé olyan felhasználási területeken, mint az adatgyűjtés, a villanymotor-vezérlés, a mágnestekercsek vezérlése, a műszertechnika, a tesztelés és mérés, valamint a folyamatirányítás.

5. ábra: A TSC2011IST integrált áramkörnek része egy kikapcsolóláb (SHDN) a minél jobb energiatakarékosság érdekében, és az eszköz –40 °C és 125 °C közötti ipari hőmérséklet-tartományban használható (kép: STMicroelectronics)

A TSC2011IST erősítő erősítése 60 V/V, el van látva beépített elektromágneseszavar- (EMI-) szűrővel, és 2 kV emberi testmodell (HBM) szerinti elektrosztatikuskisülés- (ESD-) tűréssel rendelkezik (a JEDEC JESD22-A114F szabvány szerint). A TSC2011 már 10 mV teljes skálájú feszültségesést is képes érzékelni a következetes mérések érdekében. A termék 750 kHz-es sávjósága (az erősítés és a sávszélesség szorzata) és 7,0 V/µs jelváltozási sebessége együttesen biztosítja a nagy pontosságot és a gyors reagálást.

A tervezők a TSC2011IST erősítővel való kísérletezéshez használhatják a STEVAL-AETKT1V2 fejlesztőkártyát (6. ábra). Az eszköz az áramot széles közös módusú feszültségtartományban, –20 V és +70 V között képes érzékelni. A TSC2011IST jellemzői:

• Erősítési hiba: max. 0,3%
• Eltoláselvándorlás: max. 5 µV/°C
• Erősítéselvándorlás: max. 10 ppm/°C (ppm: milliomodrész)
• Nyugalmi áram: 20 µA kikapcsolt üzemmódban

6. ábra: A STEVAL-AETKT1V2 fejlesztőkártya tartalmazza az alaplapot és a TSC2011IST erősítőnek helyet adó kiegészítő kártyát (kép: STMicroelectronics)

Belső söntellenállásos kétirányú áramérzékelő erősítő

A Texas Instruments INA253A1IPW jelű eszköze egy 2 mΩ-os, 0,1%-os pontosságú, kis induktivitású áramsöntöt tartalmaz integráltan, és akár 80 V közös módusú feszültséget is elvisel (7. ábra). Az INA253A1IPW fejlett PWM-elnyomó áramköröket kínál a tervezők számára a nagy Δv/Δt jelek elnyomására, lehetővé téve a valós idejű folyamatos árammérést olyan felhasználási területeken, mint a villanymotorok és a mágnestekercsek vezérlése. A belső erősítő precíziós, nulla munkapont-elvándorlású kialakítású, a közös módusú elnyomási arány (CMRR) >120 dB egyenáram (DC CMRR) és 90 dB 50 kHz-es váltakozó áram (AC CMRR) esetén.

7. ábra: Az INA253A1IPW kétirányú áramérzékelő erősítő, amelynek itt egy jellegzetes felhasználása látható, belső áramsöntöt tartalmaz, és ±15 A erősségű folyamatos áram mérésére képes –40 °C és +85 °C között (kép: Texas Instruments)

A tervezők felgyorsíthatják az INA253A1IPW eszközön alapuló rendszerek terveinek fejlesztését, ha a hozzá való INA253EVM fejlesztőkártyán található tesztpontokat használják az áramérzékelő erősítőnek az egyes funkciókhoz tartozó lábaihoz való hozzáférésre (8. ábra). A kétrétegű fejlesztőkártya mérete 2,4 × 4,2 hüvelyk (61 mm × 106,7 mm), és 1 uncia (28,35 g) rezet tartalmaz.

8. ábra: A kétrétegű INA253EVM fejlesztőkártya mérete 2,4 × 4,2 hüvelyk, és 1 uncia rezet tartalmaz. Az alsó rétegben nincsenek alkatrészek, hanem egy egy tömör réz testelőlapot tartalmaz, amely kis impedanciájú utat biztosít a visszatérő áramok számára (kép: Texas Instruments)

A nyomtatott áramköri lapon minimális támogató áramkör található, és a funkciók szükség szerint átkonfigurálhatóak, eltávolíthatóak vagy áthidalhatóak. Az INA253EVM a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

• Három INA253A1IPW eszköz helyezhető el rajta
• Könnyű hozzáférés minden lábhoz
• Olyan áramkörilap-elrendezés és szerkezet, amely az INA253 áramérzékelő erősítőkön keresztül ±15 A erősségű áram mérését teszi lehetővé a teljes –40 °C és +85 °C közötti hőmérséklet-tartományban
• Az alapértelmezett összeállítástól eltérő összeállításokhoz helyezzen el tartókat a nyomtatott áramköri lapon

Az alsó rétegben nincsenek alkatrészek, hanem egy egy tömör réz testelőlapot tartalmaz, amely kis impedanciájú utat biztosít a visszatérő áramok számára

AEC-Q100 minősítésű kétirányú áramérzékelő erősítő

A teljes hidas villanymotor-vezérlések, kapcsolóüzemű tápegységek, mágnestekercsek és akkumulátorok, valamint az autóipari készülékek áramainak figyelésére a tervezők használhatják az Analog Devices LT1999IMS8-20#TRPBF jelű eszközét (9. ábra).

9. ábra: Az LT1999IMS8-20#TRPBF kétirányú áramérzékelő erősítő egy teljes hidas armatúraáram-figyelő eszközben (kép: Analog Devices)

Az LT1999IMS8-20#TRPBF eszköz AEC-Q100 minősítéssel rendelkezik az autóipari felhasználáshoz, és tartalmaz egy kikapcsolási üzemmódot az energiafogyasztás minimálisra csökkentése érdekében. A készülék egy külső söntellenállást használ az áram irányának és mennyiségének mérésére. Olyan arányos kimeneti feszültséget állít elő, amely a tápfeszültség és a föld között középen helyezkedik el. A tervezőknek lehetőségük van külső feszültséget ráadni a referenciaszint beállításához.

Ha a V_SHDN (8. láb) a földtől 0,5 V-on belülre kerül, az LT1999IMS8-20#TRPBF kis fogyasztású kikapcsolt állapotba kerül, amely kb. 3 μA áramfelvétellel jár. A bemeneti lábak (+IN és –IN) körülbelül 1 nA-t vesznek fel, ha 0 és 80 V közötti tartományban vannak előfeszítve (differenciális feszültség ráadása nélkül). Az elektromágneseszavar- (EMI-) érzékenységet egy belső, 1. rendű, aluláteresztő EMI-elnyomó differenciálszűrő csökkenti, amely segíti az eszköz sávszélességén túli nagyfrekvenciás jelek elnyomását.

Az LT1999 sorozattal való kísérletezéshez az Analog Devices az 1698A bemutatókártyát kínálja. A kártya felerősíti a kártyára szerelt áramérzékelő ellenálláson bekövetkező feszültségesést, és kétirányú kimeneti feszültséget állít elő, amely arányos az ellenálláson átfolyó árammal. A tervezők három állandó értékű erősítési lehetőség közül választhatnak: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) és 50 V/V (DC1698A-C).

Kétirányú áramérzékelő erősítő PWM-elnyomással

A közös módusú bemeneti PWM-élek jobb elnyomása érdekében az induktív terhelések, például mágnestekercsek vagy villanymotorok vezérlését célzó tervekben a tervezők használhatják a MAX40056TAUA+ eszközt (10. ábra). A 2. ábra kapcsán már említett MAX40056TAUA+ egy kétirányú áramérzékelő erősítő, amely ±500 V/µs és annál nagyobb jelváltozási sebességeket képes kezelni. Jellemző közös módusú elnyomási aránya (CMRR) 60 dB (50 V, ±500 V/µs bemenet), illetve 140 dB (egyenfeszültség). Közös módusú tartománya –0,1 V és +65 V között van, és –5 V-ig védelmet nyújt az induktív terhelések kikapcsolási feszültséglökései ellen.

10. ábra: A MAX40056TAUA+ tartalmaz egy 1,5 V-os belső referenciafeszültséget, fejlett PWM-elnyomást és egy integrált belső ablakkomparátort a pozitív és negatív túláramállapotok érzékelésére (balra lent, a CIP bemenetről vezérelve) (kép: Analog Devices)

A MAX40056TAUA+ 1,5 V-os belső referenciafeszültséggel rendelkezik, amely több célra is használható, többek között az alábbiakra:

• analóg-digitális differenciálátalakító áramellátása
• a kimenőjel eltolása az érzékelt áramirány kijelzéséhez
• külső terhelések áramellátása a teljesítménycsökkenés mérséklése érdekében

Amikor a kimenőjel nagyobb teljes skálájú lengései hasznosak, illetve 3,3 V feletti tápfeszültségek esetén a tervezők a belső referenciafeszültséget felülbírálhatják egy nagyobb külső referenciafeszültséggel. Végül a tervezők a belső vagy külső referenciafeszültséget használhatják az integrált túláram-összehasonlító egység kioldási küszöbértékének beállítására, hogy az azonnali jelzést adjon a túláramhibáról.

Az MAX40056TAUA+ eszközhöz való MAX40056EVKIT# fejlesztőkészlet bevált platformot kínál a tervezők számára az olyan nagy pontosságú, nagyfeszültségű kétirányú áramérzékelő erősítőket igénylő felhasználási területeken történő fejlesztésekhez, amilyen például a mágnestekercsek és a szervomotorok vezérlése.

Összegzés

Gyors és pontos áramfigyelésre a legkülönbözőbb felhasználási területeken van szükség, az autóiparban, a gyárautomatizálásban és a robotikában, a kiszolgálók energiagazdálkodásában, a D osztályú hangerősítőkben és az orvosi rendszerekben. Sok esetben kétirányú áramérzékelésre van szükség.

Szerencsére a tervezők számos integrált áramkörös kétirányú áramérzékelő erősítő és a hozzájuk való fejlesztőplatformok közül választhatnak a gyors és pontos kétirányú áramfigyelés gyors és hatékony megvalósításához.

Ajánlott olvasnivaló

1. Use Sensorless Vector Control with BLDC and PMS Motors to Deliver Precise Motion Control (Érzékelő nélküli vektoros vezérlés használata szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorokhoz és állandó mágneses szinkronmotorokhoz (PMS) a mozgás pontos szabályozása érdekében)
2. How to Choose and Use Angle Sensors for Power Steering, Motors and Robotics (Szöghelyzet-érzékelők választása és használata a szervokormányzás, a villanymotorok és a robotika területén)