Efektivní implementace monitorování proudu pomocí integrovaných obousměrných zesilovačů pro snímání proudu

Rychlé a přesné monitorování proudu je zapotřebí v rostoucí řadě aplikací, včetně autonomních vozidel, automatizace továren a robotiky, komunikace, řízení napájení serverů, audiozesilovačů třídy D a lékařských systémů. V mnoha z těchto aplikací je vyžadováno obousměrné snímání proudu, ale musí být prováděno efektivně a s minimálními náklady.

I když je možné sestavit obousměrný zesilovač pro snímání proudu (CSA) pomocí dvojice jednosměrných CSA, může to být složitý a časově náročný proces. Takové řešení zahrnuje samostatný operační zesilovač lišta na lištu ke kombinování dvou výstupů do výstupu s jedním koncem, nebo využívá dva vstupy analogově-digitálního převodníku (ADC) na mikrokontroléru, což vyžaduje další kódování mikrokontroléru a strojové cykly. A konečně, sestavení obousměrného CSA pomocí dvou jednosměrných CSA – plus další komponenty potřebné k jejich integraci do obousměrného řešení – může spotřebovat více místa na desce plošných spojů a vyšší počet dílů může také snížit spolehlivost a zvýšit požadavky na zásoby. Konečným výsledkem může být překročení nákladů a plánu návrhu.

Místo toho mohou konstruktéři využít integrované, vysokorychlostní a přesné obousměrné CSA. Mohou si vybrat z integrovaných obousměrných CSA s interními bočníkovými rezistory s nízkou indukčností, které produkují nejkompaktnější řešení, nebo z CSA, které využívají externí proudové bočníky, aby poskytovaly flexibilnější možnosti návrhu a uspořádání.

V tomto článku jsou shrnuty požadavky na implementaci obousměrných CSA a výhody integrovanějšího přístupu. Poté jsou zde uvedeny příklady zařízení od společností STMicroelectronics, Texas Instruments a Analog Devices včetně klíčových parametrů a rozlišovacích charakteristik. Nakonec je zde ukázáno, jak začít s návrhy s těmito zařízeními včetně souvisejících referenčních návrhů, vyhodnocovacích sad, vývojových sad a tipů na návrh a implementaci.

Jak používat dva jednosměrné CSA

Obousměrný obvod CSA lze zkonstruovat více než jedním způsobem pomocí dvou jednosměrných CSA (obrázek 1). Model MAX4172ESA+T společnosti Analog Devices, použitý v příkladu vlevo, neobsahuje interní zátěžový rezistor, a proto používá diskrétní zařízení R_a a R_b. V příkladu vpravo má model MAX4173TEUT+T interní 12kΩ zátěžový rezistor, který převádí jeho proudový výstup na napětí.

Obrázek 1: Aplikace obousměrného snímání proudu používající dva jednosměrné zesilovače pro snímání proudu mohou být implementovány pomocí externích zátěžových rezistorů (vlevo) nebo s interním zátěžovým rezistorem (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Obvod zařízení MAX4173TEUT+T přidává do své zpětné vazby 1nF kondenzátor, přestože dva zátěžové rezistory nepotřebuje, aby stabilizoval řídicí smyčku části B. V obou případech jsou výstupní proudy ze dvou CSA kombinovány pomocí univerzálního operačního zesilovače MAX4230AXK+T.

Oba přístupy mají počet dílů vyšší, než by bylo potřeba při použití jediného obousměrného CSA. Kromě většího počtu dílů je rozložení desky plošných spojů složitější, protože oba jednosměrné CSA musí být umístěny v těsné blízkosti rezistoru V_SENSE.

Příklady aplikací využívajících obousměrné CSA

Obousměrné CSA jsou všestranná zařízení a nacházejí se v široké řadě aplikací. Například dva CSA mohou být použity v třífázovém servomotorovém systému k určení okamžitých proudů vinutí všech tří fází, bez jakýchkoli dalších výpočtů nebo informací o pulzních fázích nebo pracovních cyklech pulzně šířkové modulace (PWM) (obrázek 2).

Obrázek 2: V aplikaci třífázového servomotoru lze dva obousměrné CSA připojit přes snímací rezistory pro fázi 1 (R_SENSEΦ1) a fázi 2 (R_SENSEΦ2) ke generování napětí představujícího proud ve vinutí třetí fáze. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Kirchhoffův zákon říká, že součet proudů v prvních dvou vinutích se rovná proudu ve třetím vinutí. K měření dvoufázových proudů používá obvod dva obousměrné CSA MAX40056TAUA+, které jsou shrnuty v univerzálním operačním zesilovači MAX44290ANT+T. Protože všechny tři zesilovače mají stejné referenční napětí, provádějí se poměrová měření.

K přesnému měření zátěžového proudu reproduktorů je v dalším příkladu použit audiozesilovač třídy D, jeden obousměrný CSA, jako je např. model INA253A1IPW od společnosti Texas Instruments (obrázek 3).

Obrázek 3: V audionávrzích třídy D lze k implementaci vylepšení reproduktorů a diagnostiky použít obousměrný CSA (INA253). (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Měření zátěžového proudu reproduktorů v reálném čase lze použít k diagnostice a optimalizaci výkonu zesilovače kvantifikací klíčových parametrů reproduktorů a změn v těchto parametrech, včetně následujících:

• Odpor cívky
• Impedance reproduktoru
• Rezonanční frekvence a špičková impedance na rezonanční frekvenci
• Okolní teplota reproduktoru v reálném čase

Tipy pro rozložení desky a aspekty týkající se proudového bočníku

Při implementaci obvodů pro snímání proudu jsou problémem parazitní odpor a indukčnost. K chybám snímání mohou vést také nadměrný odpor pájky a parazitní odpor měření. Často se používají čtyřsvorkové rezistory pro snímání proudu. Pokud nelze zvolit rezistor se čtyřmi svorkami, měli byste použít techniky rozložení desky plošných spojů podle Kelvina (obrázek 4).

Obrázek 4: Kelvinova snímací měření by měla být co nejblíže pájecím kontaktním podložkám na rezistoru pro snímání proudu. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Umístění Kelvinových snímacích měření co nejblíže k pájecím kontaktním bodům rezistoru pro snímání proudu minimalizuje parazitní odpory. Větší rozestupy Kelvinových snímacích měření způsobí chybu měření způsobenou dodatečným odporem měření.

Důležitým aspektem minimalizace parazitní indukčnosti je výběr snímacího rezistoru. Indukčnost pouzdra by měla být minimalizována, protože chyba napětí je úměrná zátěžovému proudu. Obecně platí, že drátové vinuté rezistory mají nejvyšší indukčnost a standardní zařízení s kovovou vrstvou mají indukčnosti střední úrovně. Pro aplikace se snímáním proudu se obecně doporučují rezistory s kovovou vrstvou s nízkou indukčností.

Hodnota bočníkového rezistoru je kompromisem mezi dynamickým rozsahem a rozptylovým výkonem. Pro snímání vysokého proudu se doporučuje použít bočník s nízkou hodnotou, aby se minimalizoval rozptyl tepla (I²R). Při snímání nízkého proudu lze k minimalizaci dopadu offsetového napětí na snímací obvod použít vyšší hodnotu odporu.

Většina CSA se při měření proudu spoléhá na externí bočníky, ale existují některé CSA, které používají interní proudové bočníky. Přestože použití interních bočníků může vést ke kompaktnějším návrhům s menším počtem součástí, existuje několik kompromisů, včetně následujících: menší flexibilita, protože hodnota bočníku je předem určena, potřeba vyššího klidového proudu ve srovnání s CSA s externím bočníkem a množství proudu, které lze měřit, je omezeno možnostmi interního bočníku.

Vysokonapěťové přesné obousměrné CSA

Model TSC2011IST od společnosti STMicroelectronics umožňuje konstruktérům minimalizovat rozptylový výkon tím, že využije jeho přesných schopností používat externí proudové bočníky s nízkým odporem (obrázek 5). Tento obousměrný CSA je navržen tak, aby poskytoval přesná měření proudu v aplikacích, jako je získávání dat, řízení motoru, řízení elektromagnetů, přístrojová technika, testování a měření a řízení procesů.

Obrázek 5: Model TSC2011IST obsahuje vypínací pin (SHDN) k maximalizaci úspor energie a pracuje v průmyslovém teplotním rozsahu −40 až 125 °C. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Model TSC2011IST má zisk zesilovače 60 V/V, integrovaný filtr elektromagnetického rušení (EMI) a toleranci elektrostatického výboje (ESD) modelu lidského těla (HBM) 2 kV (podle normy JEDEC JESD22-A114F). Model TSC2011 dokáže detekovat pokles napětí již od 10 mV v plném rozsahu, aby poskytoval konzistentní měření. K zajištění jeho vysoké přesnosti a rychlé odezvy kombinuje součin šířky pásma a zesílení (GBP) 750 kHz a rychlost přeběhu 7,0 V/µs.

Konstruktéři mohou využít vyhodnocovací desku STEVAL-AETKT1V2, aby mohli zesilovač TSC2011IST začít rychle používat (obrázek 6). Dokáže snímat proud v širokém rozsahu souhlasných napětí od −20 do +70 V. Vlastnosti modelu TSC2011IST:

• Chyba zisku: max. 0,3 %
• Drift offsetu: max. 5 µV/°C
• Drift zisku: max. 10 ppm/°C
• Klidový proud: 20 µA v režimu vypnutí

Obrázek 6: Vyhodnocovací deska STEVAL-AETKT1V2 obsahuje hlavní desku a dceřinou kartu obsahující zesilovač TSC2011IST. (Zdroj obrázku: společnost STMicroelectronics)

Obousměrný CSA s interním bočníkem

V modelu INA253A1IPW od společnosti Texas Instruments je integrován 2mΩ 0,1% proudový bočník s nízkou indukčností a podporuje souhlasné napětí až do 80 V (obrázek 7). Zesilovač INA253A1IPW poskytuje konstruktérům vylepšené obvody pro potlačení PWM k potlačení velkých signálů dv/dt, což umožňuje nepřetržité měření proudu v reálném čase pro aplikace, jako je motorový pohon a řízení elektromagnetických ventilů. Interní zesilovač se vyznačuje přesnou topologií nulového driftu s mírou potlačení součtového signálu (CMRR) >120 dB DC CMRR a 90 dB AC CMRR při 50 kHz.

Obrázek 7: Obousměrný CSA INA253A1IPW, zde znázorněný v typické aplikaci, má interní proudový bočník a může měřit ±15 A trvalého proudu od −40 do +85 °C. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Konstruktéři mohou urychlit vývoj návrhů systémů založených na zesilovači INA253A1IPW pomocí testovacích bodů na přidružené vyhodnocovací desce INA253EVM pro přístup k pinům funkcí CSA (obrázek 8). Dvouvrstvá deska má rozměry 2,4 × 4,2 palce (5,1 × 10,2 cm) a je vyrobena z 1 unce (28 g) mědi.

Obrázek 8: Dvouvrstvá deska INA253EVM měří 2,4 × 4,2 palce (5,1 × 10,2 cm) a je vyrobena z 1 unce (28 g) mědi. Spodní vrstva nemá žádné součásti, ale obsahuje pevnou měděnou zemnicí rovinu, která poskytuje zpětnému proudu nízkoimpedanční cestu. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Deska plošných spojů obsahuje minimální podpůrné obvody a funkce lze podle potřeby překonfigurovat, odebrat nebo vynechat. Deska INA253EVM poskytuje následující funkce:

• Tři zařízení INA253A1IPW
• Snadný přístup ke všem pinům
• Uspořádání a konstrukce desky, která podporuje proud ±15 A přes CSA INA253 v celém rozsahu teplot −40 až +85 °C
• Umístění držáků na desce plošných spojů pro konfigurace jiné než výchozí

Spodní vrstva nemá žádné součásti, ale obsahuje pevnou měděnou zemnicí rovinu, která poskytuje zpětnému proudu nízkoimpedanční cestu.

Obousměrné CSA s kvalifikací AEC-Q100

K monitorování proudů v plnomůstkových řízeních motorů, spínaných napájecích zdrojích, solenoidech a bateriových sadách stejně jako v automobilových aplikacích mohou konstruktéři použít zesilovač LT1999IMS8-20#TRPBF od společnosti Analog Devices (obrázek 9).

Obrázek 9: LT1999IMS8-20#TRPBF je obousměrný CSA v aplikaci pro monitorování proudu plnomůstkové kotvy. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Zesilovač LT1999IMS8-20#TRPBF má kvalifikaci AEC-Q100 pro automobilové aplikace a k minimalizaci spotřeby energie obsahuje režim vypnutí. K měření směru i množství protékajícího proudu používá zařízení externí bočník. Vytváří proporcionální výstupní napětí, které je vztaženo na střed mezi napájecím napětím a zemí. K nastavení referenční úrovně mají konstruktéři možnost použít externí napětí.

Když je V_SHDN (pin 8) napájen do 0,5 V země, přechází zesilovač LT1999IMS8-20#TRPBF do vypnutého stavu s nízkou spotřebou energie, který odebírá přibližně 3 μA. Vstupní piny s(+IN a −IN) budou odebírat přibližně 1 nA, pokud jsou předpětí v rozsahu 0 až 80 V (bez použití diferenciálního napětí). Citlivost na EMI je snížena vnitřním 1^Svatý řádu, diferenční dolní propust EMI potlačující filtr, který pomáhá potlačit vysokofrekvenční signály mimo šířku pásma zařízení.

Pro experimentování s řadou LT1999 nabízí společnost Analog Devices demonstrační desku 1698A. Deska zesiluje úbytek napětí na integrovaném rezistoru pro snímání proudu a vytváří obousměrné výstupní napětí, které je úměrné proudu procházejícímu rezistorem. Konstruktéři si mohou vybrat ze tří možností pevného zisku: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) a 50 V/V (DC1698A-C).

Obousměrné CSA se zamítnutím PWM

K lepšímu zamítnutí hran PWM souhlasného vstupu v konstrukcích řídicích indukční zátěže, jako jsou solenoidy a motory, mohou konstruktéři použít zesilovač MAX40056TAUA+ (obrázek 10). Model MAX40056TAUA+, již dříve zmíněný v kontextu obrázku 2, je obousměrný CSA, který zvládne rychlosti přeběhu ±500 V/µs a vyšší. Má typický CMRR 60 dB (50 V, vstup ±500 V/µs) a 140 dB DC. Jeho souhlasný rozsah je od −0,1 V do +65 V a zahrnuje ochranu proti indukčnímu zpětnému rázu až do −5 V.

Obrázek 10: Model MAX40056TAUA+ obsahuje interní 1,5voltovou referenci, vylepšené zamítnutí PWM a integrovaný interní komparátor okna pro detekci kladných i záporných nadproudů (vlevo dole, řízeno vstupem CIP). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Tento zesilovač MAX40056TAUA+ má interní 1,5voltovou referenci, kterou lze použít pro různé účely, včetně:

• Řízení diferenciálního analogově-digitálního převodníku
• Offset výstup k zobrazení směru snímaného proudu
• Dodávání proudu do externích zátěží ke zmírnění snížení výkonu

Konstruktéři mohou interní referenci přepsat vyšší externí referencí napětí v případě, že jsou užitečná vyšší kolísání výstupu v plném rozsahu nebo pro napájecí napětí vyšší než 3,3 V. Nakonec mohou konstruktéři použít buď interní, nebo externí referenci k nastavení prahu pro vypnutí integrovaného nadproudového komparátoru, který poskytuje okamžitý signál o nadproudové poruše.

Vyhodnocovací sada MAX40056EVKIT# pro zesilovač MAX40056TAUA+ poskytuje konstruktérům osvědčenou platformu pro vývoj aplikací s vysoce přesnými vysokonapěťovými obousměrnými CSA, jako jsou solenoidové pohony a řízení servomotorů.

Závěr

Rychlé a přesné monitorování proudu je zapotřebí v rostoucí řadě aplikací, včetně automatizace v továrnách vyrábějících vozidla, robotiky, komunikace, řízení napájení serverů, audiozesilovačů třídy D a lékařských systémů. V mnoha případech je zapotřebí obousměrné snímání proudu.

Konstruktéři si naštěstí mohou vybrat z celé řady integrovaných obousměrných CSA a jejich přidružených vývojových platforem, aby mohli rychle a efektivně implementovat rychlé a přesné obousměrné monitorování proudu.

Doporučeno k přečtení

1. Použití bezsenzorové vektorové regulace u bezkartáčových stejnosměrných motorů (BLDC) a synchronních motorů s permanentním magnetem (PMS) k zajištění přesného řízení pohybu
2. Jak vybrat a používat úhlové senzory pro posilovač řízení, motory a robotiku