Stroombewaking efficiënt implementeren met behulp van geïntegreerde bidirectionele stroomdetectieversterkers

Snelle en nauwkeurige stroombewaking is nodig in een groeiend aantal toepassingen, waaronder autonome voertuigen, fabrieksautomatisering en robotica, communicatie, serververmogensbeheer, klasse-D audioversterkers en medische systemen. In veel van deze toepassingen is bidirectionele stroomdetectie vereist, maar dit moet efficiënt en tegen minimale kosten gebeuren.

Hoewel het mogelijk is een bidirectionele stroomdetectieversterker (CSA) te bouwen met behulp van een paar unidirectionele CSA's, kan dit een ingewikkeld en tijdrovend proces zijn. Hiervoor is een afzonderlijke rail-naar-railversterker nodig om de twee uitgangen te combineren tot een single-ended uitgang, of het gebruik van twee ingangen voor analoog-digitaal-convertors (ADC's) op de microcontroller, hetgeen extra codering van de microcontroller en machinecycli vereist. Ten slotte kan het bouwen van een bidirectionele CSA met behulp van twee unidirectionele CSA's - plus de extra componenten die nodig zijn om ze in een bidirectionele oplossing te integreren - meer printplaatruimte in beslag nemen, en het grotere aantal onderdelen kan de betrouwbaarheid verminderen en de voorraadvereisten doen toenemen. Het eindresultaat kan een overschrijding van de kosten en het ontwerpschema zijn.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van geïntegreerde, bidirectionele CSA's met hoge snelheid en precisie. Zij kunnen kiezen uit geïntegreerde bidirectionele CSA's met interne shuntweerstanden met lage inductie die de meest compacte oplossingen opleveren, of CSA's die externe stroomshunts gebruiken voor een flexibeler ontwerp en lay-outmogelijkheden.

In dit artikel worden de uitvoeringsvereisten van bidirectionele CSA's en de voordelen van een meer geïntegreerde aanpak besproken. Vervolgens worden voorbeeldapparaten van STMicroelectronics, Texas Instruments en Analog Devices voorgesteld, met inbegrip van de belangrijkste parameters en onderscheidende kenmerken. Tenslotte wordt getoond hoe men aan de slag kan met ontwerpen met deze apparaten, met inbegrip van verwante referentieontwerpen/evaluatiekits/dev kits, en tips voor ontwerp en implementatie.

Hoe twee unidirectionele CSA's te gebruiken

Een bidirectionele CSA-schakeling kan op meer dan één manier worden geconstrueerd met behulp van twee unidirectionele CSA's (Afbeelding 1). De MAX4172ESA+T van Analog Devices, die in het voorbeeld links wordt gebruikt, heeft geen interne belastingsweerstand en gebruikt dus de discrete apparatenR_a en R_b. In het voorbeeld rechts heeft de MAX4173TEUT+T een interne belastingsweerstand van 12 kilohm (kΩ) om de huidige uitgang om te zetten in een spanning.

Afbeelding 1: Bidirectionele stroomdetectietoepassingen met twee unidirectionele stroomdetectieversterkers kunnen worden uitgevoerd met externe belastingsweerstanden (links), of met een interne belastingsweerstand (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hoewel de twee belastingsweerstanden niet nodig zijn, voegt de MAX4173TEUT+T-schakeling een condensator van 1 nanofarad (nF) toe aan de terugkoppeling om de regelkring van deel B te stabiliseren. In beide gevallen worden de uitgangsstromen van de twee CSA's gecombineerd met behulp van een MAX4230AXK+T operationele versterker voor algemeen gebruik.

Beide benaderingen hebben een groter aantal onderdelen dan wat nodig zou zijn met een enkele bidirectionele CSA. Naast het grotere aantal onderdelen is ook de lay-out van de printplaat complexer omdat beide unidirectionele CSA's dicht bij de V_{SENSE-weerstand} moeten worden geplaatst.

Toepassingsvoorbeelden van bidirectionele CSA's

Bidirectionele CSA's zijn veelzijdige apparaten en worden in een groot aantal toepassingen gebruikt. Zo kunnen in een driefasig servomotorsysteem twee CSA's worden gebruikt om de momentane wikkelingsstromen van alle drie de fasen te bepalen, zonder verdere berekeningen of informatie over de pulsbreedtemodulatie (PWM) pulsfasen of duty cycles (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: In een driefasige servomotortoepassing kunnen twee bidirectionele CSA's over detectieweerstanden voor fase 1 (_RSENSEΦ1) en fase 2 (_RSENSEΦ2) worden aangesloten om een spanning op te wekken die de stroom in de derde fase wikkeling weergeeft. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De wet van Kirchhoff stelt dat de som van de stromen in de eerste twee wikkelingen gelijk is aan de stroom in de derde wikkeling. De schakeling maakt gebruik van twee MAX40056TAUA+ bidirectionele CSA's voor het meten van de tweefasenstromen, die worden gesommeerd in de MAX44290ANT+T operationele versterker voor algemeen gebruik. Aangezien alle drie de versterkers dezelfde referentiespanning hebben, worden ratiometrische metingen verkregen.

In een ander voorbeeld kan een klasse-D-audioversterker, een enkele bidirectionele CSA zoals de INA253A1IPW van Texas Instruments, worden gebruikt om de belastingsstroom van de luidsprekers nauwkeurig te meten (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: In klasse-D audio-ontwerpen kan een bidirectionele CSA (INA253) worden gebruikt om luidsprekerverbeteringen en diagnostiek te implementeren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Realtime metingen van de belastingsstroom van luidsprekers kunnen worden gebruikt voor diagnostiek en voor het optimaliseren van de versterkerprestaties door het kwantificeren van belangrijke luidsprekerparameters en veranderingen in deze parameters, waaronder:

• Spoelweerstand
• Impedantie van de luidspreker
• Resonantiefrequentie en piekimpedantie bij de resonantiefrequentie
• Realtime omgevingstemperatuur van de luidspreker

Tips voor printplaatindeling en overwegingen voor stroomshunt

Parasitaire weerstand en inductie vormen een probleem bij de toepassing van stroomdetectiecircuits. Ook overtollig soldeer en parasitaire weerstand kunnen leiden tot meetfouten. Vaak worden vier-terminale stroomdetectieweerstanden gebruikt. Indien een weerstand met vier aansluitingen geen optie is, moet gebruik worden gemaakt van Kelvin-printplaatlayouttechnieken (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Kelvin-detectieporen moeten zo dicht mogelijk bij de soldeercontactpads van de stroomdetectieweerstand liggen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Door de Kelvin-detectiesporen zo dicht mogelijk bij de soldeercontactpunten van de stroomdetectieweerstand te plaatsen, worden parasitaire weerstanden tot een minimum beperkt. Een grotere afstand tussen de Kelvin-detectiesporen leidt tot een meetfout die wordt veroorzaakt door de extra spoorweerstand.

De keuze van de sensorweerstand is een belangrijk aspect van het minimaliseren van parasitaire inductie. De pakketinducties moeten worden geminimaliseerd omdat de spanningsfout evenredig is met de belastingsstroom. In het algemeen hebben draadgewonden weerstanden de hoogste inductie en standaard metaalfilm weerstanden de inductie van het middenniveau. Voor stroomdetectietoepassingen worden in het algemeen laaginductieve metaalfilmweerstanden aanbevolen.

De waarde van de shuntweerstand is een afweging tussen het dynamisch bereik en de vermogensdissipatie. Voor hoge stroomdetectie wordt aanbevolen een shunt met lage waarde te gebruiken om de thermische dissipatie (I²R) tot een minimum te beperken. Bij lage stroomdetectie kan een hogere weerstandswaarde worden gebruikt om de invloed van de offsetspanning op het detectiecircuit te minimaliseren.

De meeste CSA's werken met externe shunts om de stroom te meten, maar er zijn ook CSA's die interne stroomshunts gebruiken. Hoewel het gebruik van interne shunts kan resulteren in compactere ontwerpen met minder componenten, zijn er verschillende nadelen aan verbonden, waaronder: minder flexibiliteit omdat de waarde van het shunt van tevoren is bepaald, een behoefte aan een hogere ruststroom vergeleken met externe shunt-CSA's, en de hoeveelheid stroom die kan worden gemeten, wordt beperkt door de mogelijkheden van het interne shunt.

Bidirectionele CSA's voor hoogspanning

De TSC2011IST van STMicroelectronics stelt ontwerpers in staat de vermogensdissipatie te minimaliseren door gebruik te maken van zijn precisiemogelijkheden om externe stroomshunts met lage weerstand te gebruiken (Afbeelding 5). Deze bidirectionele CSA is ontworpen voor precisie-stroommetingen in toepassingen zoals gegevensverwerving, motorbesturing, elektromagnetische besturing, instrumentatie, test en meting, en procesbesturing.

Afbeelding 5: De TSC2011IST heeft een uitschakelpen (SHDN) om zoveel mogelijk energie te besparen, en werkt in het industriële temperatuurbereik van -40 tot 125 °C. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

De TSC2011IST heeft een versterkerversterking van 60 volt/volt (V/V), een geïntegreerd elektromagnetisch interferentiefilter (EMI) en een elektrostatische ontladingstolerantie (ESD) van 2 kilovolt (kV) volgens het human body model (HBM) (overeenkomstig de JEDEC-norm JESD22-A114F). De TSC2011 kan een spanningsval detecteren van slechts 10 millivolt (mV) volle schaal om consistente metingen te leveren. De combinatie van een gain-bandbreedte van 750 kilohertz (kHz) en een slewrate van 7,0 volt per microseconde (V/µs) zorgt voor een hoge nauwkeurigheid en een snelle respons.

Ontwerpers kunnen het STEVAL-AETKT1V2-evaluatiebord gebruiken om snel aan de slag te gaan met de TSC2011IST (Afbeelding 6). Hij kan stroom waarnemen over een breed bereik van common mode-spanningen, variërend van -20 tot +70 volt. De TSC2011IST heeft de volgende kenmerken:

• Versterkingsfout: max. 0,3%
• Offsetdrift: max. 5 µV/°C
• Gaindrift: 10 deeltjes per miljoen (ppm)/°C max
• Ruststroom: 20 microamperes (µA) in uitschakelmodus

Afbeelding 6: Het STEVAL-AETKT1V2-evalutiebord bestaat uit de hoofdbord en een dochterbord met daarop de TSC2011IST. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Interne shunt bidirectionele CSA

De INA253A1IPW van Texas Instruments is voorzien van een 2 mΩ, 0,1% laaginductieve stroomshunt en ondersteunt common mode-spanningen tot 80 volt (Afbeelding 7). De INA253A1IPW biedt ontwerpers verbeterde PWM-afwijzingsschakelingen om grote dv/dt-signalen te onderdrukken, zodat real-time continue stroommetingen mogelijk zijn voor toepassingen zoals motoraandrijving en magneetklepregeling. De interne versterker is voorzien van een precisie zero-drift topologie met common-mode rejection ratios (CMRR's) van >120 decibel (dB) DC CMRR en 90 dB AC CMRR bij 50 kHz.

Afbeelding 7: De bidirectionele CSA INA253A1IPW, hier afgebeeld in een typische toepassing, heeft een interne stroomshunt en kan ±15 A aan continue stroom meten bij -40 tot +85 °C. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Ontwerpers kunnen de ontwikkeling van systeemontwerpen op basis van de INA253A1IPW versnellen door gebruik te maken van de testpunten op het bijbehorende INA253EVM-evaluatiebord om toegang te krijgen tot de functionele pennen van de CSA (Afbeelding 8). Het tweelagige bord meet 2,4 × 4,2 inch en is vervaardigd met 1 ounce (oz) koper.

Afbeelding 8: De tweelagige INA253EVM meet 2,4 × 4,2 inch en is vervaardigd met 1 oz koper. De onderste laag heeft geen componenten, maar bevat een massief koperen massavlak dat een laagohmige weg voor retourstromen vormt. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Op de printplaat is een minimum aan ondersteunende schakelingen aangebracht, en de functies kunnen naar behoefte worden aangepast, verwijderd of omzeild. De INA253EVM biedt de volgende kenmerken:

• Drie INA253A1IPW-apparaten
• Gemakkelijke toegang tot alle pennen
• Ontwerp en constructie van de printplaat ondersteunen ±15 A stroom door de INA253 CSA's over het volledige temperatuurbereik van -40 tot +85 °C
• Plaats houders op de printplaat voor andere configuraties dan de standaardconfiguratie

De onderste laag heeft geen componenten, maar bevat een massief koperen massavlak dat een laagohmige weg voor retourstromen vormt.

AEC-Q100 gekwalificeerde bidirectionele CSA

Voor het bewaken van stromen in full-bridge motorbesturingen, schakelende voedingen, solenoïden en accupacks, alsmede in automobieltoepassingen, kunnen ontwerpers gebruik maken van de LT1999IMS8-20#TRPBF van Analog Devices (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: De LT1999IMS8-20#TRPBF is een bidirectionele CSA in een full-bridge armatuurstroombewakingstoepassing. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De LT1999IMS8-20#TRPBF is AEC-Q100 gekwalificeerd voor automotive toepassingen en bevat een uitschakelmodus om het stroomverbruik te minimaliseren. Het apparaat maakt gebruik van een externe shunt om zowel de richting als de hoeveelheid van de stroom te meten. Hij produceert een proportionele uitgangsspanning die halverwege tussen de voedingsspanning en massa ligt. Ontwerpers hebben de mogelijkheid een externe spanning toe te passen om het referentieniveau in te stellen.

De LT1999IMS8-20#TRPBF gaat naar een laag-vermogen uitschakeltoestand en trekt ongeveer 3 μA als V_SHDN (pen 8) tot minder dan 0,5 volt van massa wordt gedreven. De ingangspennen (+IN en -IN) trekken ongeveer 1 nano-ampère (nA) als ze worden beinvloed binnen het bereik van 0 tot 80 volt (zonder dat differentiële spanning wordt toegepast). De EMI-gevoeligheid wordt verminderd door een intern, differentieel laagdoorlaat EMI-onderdrukkingsfilter van de ^eerste orde, dat hoogfrequente signalen buiten de bandbreedte van het toestel helpt te onderdrukken.

Om te experimenteren met de LT1999 serie, levert Analog Devices het 1698A-demonstratiebord. Het bord versterkt de spanningsval over een ingebouwde stroomdetectieweerstand en produceert een bidirectionele uitgangsspanning die evenredig is met de stroom door de weerstand. Ontwerpers kunnen kiezen uit drie vaste versterkingsopties: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) en 50 V/V (DC1698A-C).

Bidirectionele CSA met PWM-afwijzing

Voor een betere afwijzing van common-mode PWM-ingangsranden in ontwerpen die inductieve belastingen regelen, zoals solenoïden en motoren, kunnen ontwerpers de MAX40056TAUA+ gebruiken (Afbeelding 10). De MAX40056TAUA+, die eerder is genoemd in Afbeelding 2, is een bidirectionele CSA die slew rates van ±500 volt/µs en hoger aankan. Hij heeft een typische CMRR van 60 dB (50 volt, ±500 volt/µs ingang) en 140 dB gelijkstroom. Het common-mode bereik loopt van -0,1 volt tot +65 volt en omvat bescherming tegen inductieve terugslagspanningen tot -5 volt.

Afbeelding 10: De MAX40056TAUA+ bevat een interne 1,5-volt referentie, verbeterde PWM-afwijzing en een geïntegreerde interne window comparator om zowel positieve als negatieve overstroomcondities te detecteren (linksonder, aangestuurd door de CIP-ingang). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Deze MAX40056TAUA+ heeft een interne 1,5-volt referentie die voor diverse doeleinden kan worden gebruikt, waaronder:

• Aansturing van een differentiële analoog-digitaal-convertor
• Offsetting van de uitgang om de richting van de gedetecteerde stroom aan te geven
• Stroomtoevoer naar externe belastingen om prestatieverminderingen te beperken

Wanneer hogere volle-schaal uitgangsschommelingen nuttig zijn, of voor voedingsspanningen boven 3,3 volt, kunnen ontwerpers de interne referentie overschrijven met een hogere externe spanningsreferentie. Tenslotte kunnen ontwerpers de interne of externe referentie gebruiken om de drempelwaarde voor het uitschakelen van de geïntegreerde overstroomvergelijker in te stellen, waardoor een onmiddellijk signaal van een overstroomfout wordt gegeven.

De MAX40056EVKIT#-evaluatiekit voor de MAX40056TAUA+ biedt ontwerpers een beproefd platform voor de ontwikkeling van bi-directionele CSA-toepassingen met hoge precisie en spanning, zoals solenoïde-aandrijvingen en servomotorbesturingen.

Conclusie

Snelle en nauwkeurige stroombewaking is nodig in een groot aantal toepassingen, van de auto-industrie, fabrieksautomatisering en robotica tot energiebeheer voor servers, klasse-D audioversterkers en medische systemen. In veel gevallen is bidirectionele stroomdetectie nodig.

Gelukkig kunnen ontwerpers kiezen uit een groot aantal geïntegreerde bidirectionele CSA's, en de bijbehorende ontwikkelingsplatforms, om snel en efficiënt snelle en nauwkeurige bidirectionele stroombewaking te implementeren.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Gebruik sensorloze vectorregeling met BLDC- en PMS-motoren voor nauwkeurige motion control
2. Hoe hoeksensoren voor stuurbekrachtiging, motoren en robotica kiezen en gebruiken