Effiziente Implementierung der Stromüberwachung mit integrierten bidirektionalen Strommessverstärkern

Eine schnelle und genaue Stromüberwachung wird in einer wachsenden Zahl von Anwendungen benötigt, darunter autonome Fahrzeuge, Fabrikautomatisierung und Robotik, Kommunikation, Server-Energiemanagement, Audioverstärker der Klasse D und medizinische Systeme. In vielen dieser Anwendungen ist eine bidirektionale Strommessung erforderlich, die jedoch effizient und zu minimalen Kosten erfolgen muss.

Es ist zwar möglich, einen bidirektionalen Strommessverstärker (SMV) aus einem Paar unidirektionaler SMVs zu bauen, aber das kann ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess sein. Dies erfordert einen separaten Rail-to-Rail-Operationsverstärker, um die beiden Ausgänge zu einem asymmetrischen Ausgang zu kombinieren, oder die Verwendung von zwei Analog/Digital-Wandlereingängen am Mikrocontroller, was zusätzliche Mikrocontroller-Codierung und Maschinenzyklen erfordert. Schließlich kann der Aufbau eines bidirektionalen SMV mit zwei unidirektionalen SMVs – und den zusätzlichen Komponenten, die für die Integration in eine bidirektionale Lösung erforderlich sind – mehr Platz auf der Leiterplatte beanspruchen, und die höhere Anzahl von Bauteilen kann die Zuverlässigkeit verringern und die Anforderungen an die Lagerhaltung erhöhen. Im Ergebnis kann es zu Kosten- und Terminüberschreitungen kommen.

Stattdessen können sich Entwickler auf präzise integrierte bidirektionale Hochgeschwindigkeits-SMVs verlegen. Zur Auswahl stehen integrierte bidirektionale SMVs mit internen niederinduktiven Shunt-Widerständen, die die kompaktesten Lösungen darstellen, oder SMVs mit externen Stromshunts, die flexiblere Design- und Layout-Optionen bieten.

Dieser Artikel befasst sich mit den Anforderungen an die Implementierung bidirektionaler SMVs und den Vorteilen eines Ansatzes mit einem höheren Integrationsgrad. Anschließend werden Beispielbauelemente von STMicroelectronics, Texas Instruments und Analog Devices vorgestellt, einschließlich der wichtigsten Parameter und Unterscheidungsmerkmale. Schließlich wird aufgezeigt, wie man mit Designs mit diesen Bausteinen beginnen kann, einschließlich zugehöriger Referenzdesigns/Evaluierungskits/Entwicklungskits sowie Tipps zu Design und Implementierung.

Verwendung zweier unidirektionaler SMVs

Eine bidirektionaler SMV-Schaltkreis kann auf mehr als eine Weise mit zwei unidirektionalen SMVs aufgebaut werden (Abbildung 1). Der MAX4172ESA+T von Analog Devices, der im Beispiel links zum Einsatz kommt, enthält keinen internen Lastwiderstand und nutzt daher die diskreten Bauteile R_a und R_b. Im Beispiel rechts verfügt der MAX4173TEUT+T über einen internen 12-kΩ-Lastwiderstand, um seinen Stromausgang in eine Spannung umzuwandeln.

Abbildung 1: Bidirektionale Strommessanwendungen mit zwei unidirektionalen Strommessverstärkern können mit externen Lastwiderständen (links) oder mit einem internen Lastwiderstand (rechts) realisiert werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Der MAX4173TEUT+T-Schaltkreis benötigt zwar die beiden Lastwiderstände nicht, nutzt aber einen 1-Nanofarad-Kondensator (nF) in der Rückkopplung, um die Regelschleife von Teil B zu stabilisieren. In beiden Fällen werden die Ausgangsströme der beiden SMVs mit einem Allzweck-Operationsverstärker MAX4230AXK+T kombiniert.

Bei beiden Ansätzen ist die Anzahl der Teile höher als bei der Verwendung eines einzigen bidirektionalen SMV. Neben der größeren Anzahl an Bauteilen ist auch das Leiterplattenlayout komplexer, da die beiden unidirektionalen SMVs in unmittelbarer Nähe des V_SENSE-Widerstands platziert werden müssen.

Anwendungsbeispiele mit bidirektionalen SMVs

Bidirektionale SMVs sind vielseitige Komponenten und kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. So können z. B. zwei SMVs in einem dreiphasigen Servomotorensystem verwendet werden, um die momentanen Wicklungsströme aller drei Phasen zu bestimmen, ohne dass weitere Berechnungen oder Informationen über die PWM-Pulsphasen (PWM: Pulsweitenmodulation) oder -Tastverhältnisse erforderlich sind (Abbildung 2).

Abbildung 2: In einer dreiphasigen Servomotoranwendung können zwei bidirektionale SMVs an die Messwiderstände für Phase 1 (R_SENSEΦ1) und Phase 2 (R_SENSEΦ2) angeschlossen werden, um eine Spannung zu erzeugen, die den Strom in der Wicklung der dritten Phase darstellt. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Kirchhoffsche Gesetz besagt, dass die Summe der Ströme in den ersten beiden Wicklungen gleich dem Strom in der dritten Wicklung ist. Die Schaltung nutzt zwei bidirektionale SMVs MAX40056TAUA+ zur Messung der Ströme der beiden Phasen, die im Allzweck-Operationsverstärker MAX44290ANT+T summiert werden. Da alle drei Verstärker die gleiche Referenzspannung besitzen, werden ratiometrische Messungen durchgeführt.

In einem anderen Beispiel kann ein Audioverstärker der Klasse D, ein einzelner bidirektionaler SMV wie der INA253A1IPW von Texas Instruments, zur genauen Messung des Lautsprecherlaststroms verwendet werden (Abbildung 3).

Abbildung 3: In Audio-Designs der Klasse D kann ein bidirektionaler SMV (INA253) verwendet werden, um Lautsprecheroptimierungen und Diagnosen zu implementieren. (Bildquelle: Texas Instruments)

Echtzeitmessungen des Laststroms von Lautsprechern können zur Diagnose und zur Optimierung der Verstärkerleistung verwendet werden, indem wichtige Lautsprecherparameter und Änderungen dieser Parameter quantifiziert werden:

• Spulenwiderstand
• Impedanz des Lautsprechers
• Resonanzfrequenz und Spitzenimpedanz bei Resonanzfrequenz
• Umgebungstemperatur des Lautsprechers in Echtzeit

Tipps zum Platinenlayout und Überlegungen zum Stromshunt

Parasitärer Widerstand und parasitäre Induktivität sind ein Problem bei der Implementierung von Strommessschaltungen. Außerdem können überschüssiges Lötzinn und parasitäre Leiterbahnwiderstände zu Messfehlern führen. Häufig werden vierpolige Strommesswiderstände verwendet. Wenn ein Widerstand mit vier Anschlüssen nicht in Frage kommt, sollte Kelvin-Verfahren zum Leiterplattenlayout herangezogen werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Kelvin-Messbahnen sollten so nah wie möglich an den Lötpunkten des Strommesswiderstandes liegen. (Bildquelle: Analog Devices)

Wenn sich die Kelvin-Messbahnen so nahe wie möglich an den Lötkontaktpunkten des Strommesswiderstands befinden, minimiert das parasitäre Widerstände. Ein größerer Abstand der Kelvin-Messbahnen führt zu einem Messfehler, der durch den zusätzlichen Widerstand der Bahnen verursacht wird.

Die Auswahl des Messwiderstandes ist ein wichtiger Aspekt bei der Minimierung der parasitären Induktivität. Die Bauelementeinduktivitäten sollten minimiert werden, da der Spannungsfehler proportional zum Laststrom ist. Im Allgemeinen haben drahtgewickelte Widerstände die höchste Induktivität und Standard-Metallfolienbauteile mittlere Induktivitäten. Für Strommessanwendungen werden im Allgemeinen niederinduktive Metallfolienwiderstände empfohlen.

Der Wert des Shunt-Widerstands ist ein Kompromiss zwischen Dynamikbereich und Verlustleistung. Für die Messung hoher Ströme wird die Verwendung eines Shunts mit niedrigem Wert empfohlen, um die Wärmeabgabe (I²R) zu minimieren. Bei der Messung von niedrigen Strömen ist die Verwendung eines höheren Widerstandswertes möglich, um die Auswirkungen der Offsetspannung auf den Messschaltkreis zu minimieren.

Die meisten SMVs nutzen externe Shunts zur Strommessung, aber es gibt auch einige SMVs, die interne Stromshunts verwenden. Integrierte Shunts können zwar zu kompakteren Konstruktionen mit weniger Bauteilen führen, bringen aber auch einige Nachteile mit sich, wie z. B. eine geringere Flexibilität, da der Wert des Shunts vorgegeben ist, einen höheren Ruhestrom im Vergleich zu SMVs mit externem Shunt und eine Begrenzung der messbaren Stromstärke durch die Möglichkeiten des internen Shunts.

Präzise bidirektionale Hochspannungs-SMVs

Der TSC2011IST von STMicroelectronics ermöglicht es Entwicklern, die Verlustleistung zu minimieren, indem sie seine Präzision nutzen, um niederohmige externe Stromshunts einsetzen zu können (Abbildung 5). Dieser bidirektionale SMV ist für präzise Strommessungen in Anwendungen wie Datenerfassung, Motorsteuerung, Solenoidsteuerung, Instrumentierung, Prüf- und Messtechnik sowie Prozesssteuerung ausgelegt.

Abbildung 5: Der TSC2011IST verfügt über ein Abschaltpin (SHDN) zur Maximierung von Energieeinsparungen und erlaubt den Betrieb über den industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der TSC2011IST bietet eine Verstärkung von 60 Volt/Volt (V/V), einen integrierten EMI-Filter und eine ESD-Toleranz von 2 kV (Human Body Model) (gemäß JEDEC-Standard JESD22-A114F). Der TSC2011 kann einen Spannungsabfall von nur 10 Millivolt (mV) bei vollem Messbereich erkennen und erlaubt so konsistente Messungen. Sein Verstärkungsbandbreitenprodukt von 750 Kilohertz (kHz) und seine Anstiegsrate von 7,0 Volt pro Mikrosekunde (V/µs) gewährleisten eine hohe Genauigkeit und eine schnelle Reaktion.

Entwicklern steht das Evaluierungsboard STEVAL-AETKT1V2 für einen schnellen Einstieg in die Verwendungsweise des TSC2011IST zur Verfügung (Abbildung 6). Er kann Strom über einen weiten Bereich von Gleichtaktspannungen von -20 bis +70 Volt messen. Der TSC2011IST verfügt über folgende Merkmale:

• Verstärkungsfehler: max. 0,3 %
• Offsetdrift: max. 5 μV/°C
• Verstärkungsdrift: max. 10 Teile pro Million (ppm)/°C
• Ruhestrom: 20 Mikroampere (µA) im Abschaltmodus

Abbildung 6: Das Evaluierungsboard STEVAL-AETKT1V2 besteht aus der Hauptplatine und einer Tochterkarte mit dem TSC2011IST. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Bidirektionaler SMV mit internem Shunt

Der INA253A1IPW von Texas Instruments verfügt über einen 2-mΩ-Stromshunt mit einer niedrigen Induktivität und einer Toleranz von 0,1 %, der Gleichtaktspannungen von bis zu 80 Volt unterstützt (Abbildung 7). Der INA253A1IPW bietet Entwicklern eine verbesserte PWM-Unterdrückungsschaltung zur Unterdrückung großer dV/dT-Signale und ermöglicht so kontinuierliche Strommessungen in Echtzeit für Anwendungen wie Motorantrieb und Solenoidsteuerung. Der interne Verstärker verfügt über eine präzise Null-Drift-Topologie mit einem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von >120 Dezibel (dB) DC und 90 dB AC bei 50 kHz.

Abbildung 7: Der hier in einer typischen Anwendung gezeigte bidirektionale SMV INA253A1IPW verfügt über einen internen Stromshunt und kann von -40 °C bis +85 °C einen Dauerstrom von ±15 A messen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Entwickler können die Entwicklung von Systemdesigns, die auf dem INA253A1IPW basieren, beschleunigen, indem sie die Testpunkte auf dem zugehörigen Evaluierungsboard INA253EVM für den Zugriff auf die Funktionspins des SMV nutzen (Abbildung 8). Die zweilagige Platine misst 61 mm × 106,7 mm und wird mit 28,35 g Kupfer hergestellt.

Abbildung 8: Das zweilagige INA253EVM misst 61 mm × 106,7 mm und wird mit 28,35 g Kupfer hergestellt. Die untere Lage enthält keine Komponenten, sondern eine massive Kupfer-Massefläche, die einen niederohmigen Pfad für Rückströme bietet. (Bildquelle: Texas Instruments)

Auf dem Board befinden sich nur wenige Hilfsschaltkreise, und die Funktionen können je nach Bedarf neu konfiguriert, entfernt oder umgangen werden. Das INA253EVM bietet die folgenden Merkmale:

• Drei INA253A1IPW-Komponenten
• Leichter Zugang zu allen Pins
• Platinenlayout und -konstruktion, die einen Strom von ±15 A durch die SMVs INA253 über den gesamten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C unterstützen
• Platzhalter auf der Platine für andere Konfigurationen als die Standardkonfiguration

Die untere Lage enthält keine Komponenten, sondern eine massive Kupfer-Massefläche, die einen niederohmigen Pfad für Rückströme bietet.

AEC-Q100-konformer bidirektionaler SMV

Zur Überwachung von Strömen in Vollbrücken-Motorsteuerungen, Schaltnetzteilen, Solenoiden und Batteriesätzen sowie in Automobilanwendungen können Entwickler den LT1999IMS8-20#TRPBF von Analog Devices nutzen (Abbildung 9).

Abbildung 9: Der LT1999IMS8-20#TRPBF ist ein bidirektionaler SMV in einer Vollbrücken-Ankerstromüberwachungsanwendung. (Bildquelle: Analog Devices)

Der LT1999IMS8-20#TRPBF ist gemäß AEC-Q100 für Automobilanwendungen qualifiziert und verfügt über einen Abschaltmodus zur Minimierung des Stromverbrauchs. Das Bauelement nutzt einen externen Shunt, um sowohl die Richtung als auch die Menge des fließenden Stroms zu messen. Es erzeugt eine proportionale Ausgangsspannung, die in der Mitte zwischen der Versorgungsspannung und Masse referenziert ist. Entwickler haben die Möglichkeit, eine externe Spannung zur Einstellung des Referenzpegels anzulegen.

Der LT1999IMS8-20#TRPBF geht in einen stromsparenden Abschaltzustand mit einer Leistungsaufnahme von etwa 3 μA, wenn V_SHDN (Pin 8) auf einen weniger als 0,5 Volt von Masse abweichenden Wert gebracht wird. Die Eingangspins (+IN und -IN) beziehen etwa 1 Nanoampere (nA) bei einer Vorspannung im Bereich von 0 bis 80 Volt (ohne angelegte Differenzspannung). Die EMI-Empfindlichkeit wird durch einen internen differenziellen Tiefpassfilter erster Ordnung zur EMI-Unterdrückungsfilter Ordnung reduziert, der dazu beiträgt, hochfrequente Signale jenseits der Bandbreite der Komponente zu unterdrücken.

Für Experimente mit der Serie LT1999 bietet Analog Devices das Demo-Board 1698A an. Das Board verstärkt den Spannungsabfall über einen integrierten Strommesswiderstand und erzeugt eine bidirektionale Ausgangsspannung, die proportional zum Strom durch den Widerstand ist. Entwickler können zwischen drei Fetsverstärkungsoptionen wählen: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) und 50 V/V (DC1698A-C).

Bidirektionaler SMV mit PWM-Unterdrückung

Für eine verbesserte Unterdrückung von Gleichtakt-PWM-Flanken in Designs, die induktive Lasten wie Solenoide und Motoren steuern, können Entwickler den MAX40056TAUA+ verwenden (Abbildung 10). Wie bereits im Zusammenhang mit Abbildung 2 erwähnt, ist der MAX40056TAUA+ ein bidirektionaler SMV, der sich für Anstiegsraten von ±500 Volt/µs und mehr eignet. Er besitzt ein typisches CMRR von 60 dB (50 Volt, ±500 Volt/µs Eingang) und 140 dB DC. Der Gleichtaktbereich erstreckt sich von -0,1 Volt bis +65 Volt und umfasst einen Schutz gegen induktive Rückkopplungsspannungen bis zu -5 Volt.

Abbildung 10: Der MAX40056TAUA+ verfügt über eine integrierte 1,5-Volt-Referenz, eine verbesserte PWM-Unterdrückung und einen integrierten Fensterkomparator zur Erkennung sowohl positiver als auch negativer Überstrombedingungen (unten links, angesteuert über den CIP-Eingang). (Bildquelle: Analog Devices)

Der MAX40056TAUA+ verfügt über eine interne 1,5-Volt-Referenz, die für verschiedene Zwecke verwendet werden kann:

• Ansteuerung eines differenziellen Analog/Digital-Wandlers
• Verschiebung des Ausgangs, um die Richtung des erfassten Stroms anzuzeigen
• Einspeisung von Strom in externe Lasten zur Minderung von Leistungseinbußen

Wenn höhere Vollausschläge am Ausgang sinnvoll sind oder für Versorgungsspannungen über 3,3 Volt, können Entwickler die interne Referenz mit einer höheren externen Spannungsreferenz übergehen. Schließlich haben Entwickler die Möglichkeit, entweder die interne oder die externe Referenz zu verwenden, um den Schwellenwert für die Auslösung des integrierten Überstromkomparators festzulegen, der ein sofortiges Signal für einen Überstromfehler liefert.

Das Evaluierungskit MAX40056EVKIT# für den MAX40056TAUA+ bietet Entwicklern eine bewährte Plattform für die Entwicklung von hochpräzisen, bidirektionalen Hochspannungs-SMV-Anwendungen wie Solenoidtreibern und Servomotorsteuerungen.

Fazit:

Eine schnelle und genaue Stromüberwachung wird in einer Vielzahl von Anwendungen von autonomen Fahrzeugen, Fabrikautomatisierung und Robotik über Kommunikation, Server-Energiemanagement und Audioverstärker der Klasse D bis hin zu medizinischen Systemen benötigt. In vielen Fällen ist eine bidirektionale Strommessung erforderlich.

Glücklicherweise können Entwickler aus einer Vielzahl von integrierten bidirektionalen SMVs und den dazugehörigen Entwicklungsplattformen wählen, um schnell und effizient eine agile und genaue bidirektionale Stromüberwachung zu implementieren.

Empfohlene Lektüre

1. Verwendung sensorloser Vektorsteuerung mit BLDC- und Permanentmagnet-Synchronmotoren für eine präzise Bewegungssteuerung
2. Auswahl und Verwendung von Winkelsensoren für Servolenkung, Motoren und Robotik