Toteuta virran monitorointi tehokkaasti integroitavilla kaksisuuntaisilla virranmittausvahvistimilla

Nopeaa ja tarkkaa virran monitorointia tarvitaan yhä useammissa sovelluksissa, kuten autonomisissa ajoneuvoissa, tehdasautomaatiossa ja robotiikassa, tietoliikenteessä, palvelinten tehonhallinnassa, D-luokan audiovahvistimissa ja lääketieteellisissä järjestelmissä. Monissa näistä sovelluksista edellytetään kaksisuuntaista virranmittausta, mutta se on toteutettava tehokkaasti ja minimaalisin kustannuksin.

Vaikka kaksisuuntainen virranmittausvahvistin (CSA) on mahdollista rakentaa kahdella yksisuuntaisella virranmittausvahvistimella, tämä voi olla monimutkainen ja aikaa vievä prosessi. Siihen tarvitaan erillinen koko jännitealueen operaatiovahvistin, jolla yhdistetään kaksi lähtöä epäsymmetriseksi lähdöksi. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää kahta mikrokontrollerin analogia-digitaalimuunnintuloa (ADC), mikä edellyttää ylimääräistä koodausta mikrokontrolleriin ja kellojaksoja. Lisäksi kaksisuuntaisen virranmittausvahvistimen rakentaminen kahdesta yksisuuntaisesta virranmittausvahvistimesta – sekä lisäkomponentit, jotka tarvitaan niiden integroimiseksi kaksisuuntaiseksi ratkaisuksi – voi viedä enemmän piirilevytilaa. Lisäksi suurempi osamäärä voi heikentää luotettavuutta ja lisätä varastointia koskevia vaatimuksia. Lopputuloksena kustannukset ja suunnitteluaikataulu saattavat ylittyä.

Suunnittelijat voivat niiden sijaan käyttää integroituja, nopeita ja tarkkoja kaksisuuntaisia virranmittausvahvistimia. Ratkaisuun voidaan valita integroidut kaksisuuntaiset virranmittausvahvistimet, joissa on sisäiset alhaisen induktanssin shunttivastukset ja jotka tarjoavat kaikkein kompakteimmat ratkaisut. Toisena vaihtoehtona ovat virranmittausvahvistimet, joissa käytetään ulkoisia virtashuntteja ja jotka puolestaan tarjoavat joustavammat suunnittelu- ja layout-vaihtoehdot.

Tässä artikkelissa tarkastellaan kaksisuuntaisten virranmittausvahvistinten toteutusvaatimuksia ja integroidumman lähestymistavan tarjoamia etuja. Sen jälkeen siinä esitellään esimerkkilaitteita valmistajilta STMicroelectronics, Texas Instruments ja Analog Devices sekä niiden keskeisiä parametreja ja niiden eroja. Lopuksi artikkelissa kerrotaan suunnittelun aloittamisesta näillä laitteilla sekä niihin liittyvistä referenssimalleista/arviointisarjoista/kehityssarjoista sekä annetaan suunnittelu- ja toteutusvinkkejä.

Kahden yksisuuntaisen virranmittausvahvistimen käyttäminen

Kaksisuuntainen virranmittausvahvistinpiiri voidaan rakentaa useammalla kuin yhdellä tavalla käyttämällä kahta yksisuuntaista virranmittausvahvistinta (kuva 1). Analog Devices MAX4172ESA+T, jota käytetään vasemmanpuoleisessa esimerkissä, ei sisällä sisäistä kuormitusvastusta, joten siinä käytetään erillisiä vastuksia R_a ja R_b. Oikeanpuoleisessa esimerkissä MAX4173TEUT+T sisältää sisäisen 12 kilo-ohmin (kΩ) kuormitusvastuksen, joka muuntaa virtalähdön jännitteeksi.

Kuva 1: Kaksisuuntaiset virranmittaussovellukset, joissa käytetään kahta yksisuuntaista virranmittausvahvistinta, voidaan toteuttaa käyttämällä ulkoisia kuormitusvastuksia (vasemmalla) tai sisäistä kuormitusvastusta (oikealla). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Vaikka MAX4173TEUT+T-piiri ei tarvitsekaan kahta kuormitusvastusta, sen takaisinkytkentään on lisätty 1 nanofaradin (nF) kondensaattori B-osan ohjaussilmukan vakauttamiseksi. Molemmissa tapauksissa kahden virranmittausvahvistimen lähtövirrat yhdistetään yleiskäyttöisellä operaatiovahvistimella MAX4230AXK+T.

Molemmissa lähestymistavoissa osien määrä on suurempi kuin mitä tarvittaisiin käyttämällä yhtä kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta. Suuremman osamäärän lisäksi piirilevyn layout on kompleksisempi, koska molemmat yksisuuntaiset virranmittausvahvistimet on sijoitettava V_SENSE-vastuksen läheisyyteen.

Sovellusesimerkkejä kaksisuuntaisten virranmittausvahvistinten käytöstä

Kaksisuuntaiset virranmittausvahvistimet ovat monipuolisia laitteita, ja niitä käytetään monenlaisissa sovelluksissa. Kolmivaiheisessa servomoottorijärjestelmässä voidaan esimerkiksi käyttää kahta virranmittausvahvistinta kaikkien kolmen vaiheen hetkellisten käämitysvirtojen määrittämiseen ilman muita laskutoimituksia tai tietoja pulssinleveysmodulaation (PWM) pulssivaiheista tai käyttöjaksoista (kuva 2).

Kuva 2: Kaksi kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta voidaan liittää kolmivaiheisessa servomoottorisovelluksessa vaiheen 1 (R_SENSEΦ1) ja vaiheen 2 (R_SENSEΦ2) mittausvastuksiin. Nämä generoivat jännitteen, joka esittää virtaa kolmannessa vaihekäämityksessä. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kirchhoffin lain mukaan kahden ensimmäisen käämin virtojen summa on yhtä suuri kuin kolmannen käämin virta. Piirissä käytetään kahta kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta MAX40056TAUA+, jotka mittaavat kahden vaiheen virran. Nämä lasketaan yhteen yleiskäyttöisessä operaatiovahvistimessa MAX44290ANT+T. Koska kaikilla kolmella vahvistimella on sama referenssijännite, mittaukset ovat ratiometrisiä.

Toisessa esimerkissä, D-luokan audiovahvistimessa, yhtä kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta, kuten Texas Instruments INA253A1IPW, voidaan käyttää kaiuttimen kuormitusvirran tarkkaan mittaamiseen (kuva 3).

Kuva 3: D-luokan audioratkaisuissa voidaan käyttää kaksisuuntaista virranmittausvahvistinta (INA253) kaiuttimien parantamiseen ja diagnostiikkaan. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Kaiuttimen kuormitusvirran reaaliaikaisia mittauksia voidaan käyttää vahvistimen diagnostiikkaan ja suorituskyvyn optimointiin kvantifioimalla keskeiset kaiutinparametrit ja näiden parametrien muutokset. Niihin kuuluvat:

• kelan resistanssi
• kaiuttimen impedanssi
• resonanssitaajuus ja huippuimpedanssi resonanssitaajuudella
• kaiuttimen reaaliaikainen ympäristölämpötila.

Vinkkejä piirilevyn layoutiin ja virtashuntteihin liittyviä seikkoja

Loisresistanssi ja -induktanssi on otettava huomioon toteutettaessa virranmittauspiirejä. Lisäksi johdinten liian korkea juotos- ja loisresistanssi voivat aiheuttaa mittausvirheitä. Usein käytetään nelinapaisia virranmittausvastuksia. Jos nelinapaista vastusta ei voida käyttää, piirilevyllä tulisi käyttää Kelvin-layouttekniikoita (kuva 4).

Kuva 4: Kelvin-mittausjohdinten tulisi sijaita mahdollisimman lähellä virranmittausvastuksen juotoskohtia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Loisresistanssit minimoidaan sijoittamalla Kelvin-mittausjohtimet mahdollisimman lähelle virranmittausvastuksen juotoskohtia. Jos Kelvin-mittausjohtimet ovat kauempana toisistaan, johdinten lisäresistanssi aiheuttaa mittausvirheitä.

Mittausvastuksen valinta on tärkeä osa loisinduktanssin minimointia. Kotelon induktanssi tulee minimoida, koska jännitevirhe on verrannollinen kuormitusvirtaan. Lankavastuksilla on tavallisesti korkein induktanssi ja tavallisilla metallikalvovastuksilla on keskisuuri induktanssi. Virranmittaussovelluksiin suositellaan yleensä metallikalvovastuksia alhaiselle induktanssilla.

Shunttivastuksen arvo on dynaamisen alueen ja tehohäviön välinen kompromissi. Korkeiden virtojen mittaukseen suositellaan käytettäväksi arvoltaan alhaista shunttia lämpöhäviön (I²R) minimoimiseksi. Jos virta on pieni, mittaukseen voidaan käyttää korkeampaa resistanssiarvoa. Tämä minimoi offset-jännitteen vaikutuksen mittauspiiriin.

Useimmissa virranmittausvahvistimissa käytetään ulkoisia shuntteja virran mittaamiseen, mutta joissakin virranmittausvahvistimissa käytetään sisäisiä virtashuntteja. Vaikka sisäisiä shuntteja käyttämällä voidaan toteuttaa vähemmän komponentteja sisältäviä kompaktimpia ratkaisuita, niihin liittyy useita haittoja. Näitä haittoja ovat esimerkiksi vähempi joustavuus, koska shuntin arvo on ennalta määrätty, korkeamman lepovirran tarve ulkoisiin shuntti-virranmittausvahvistimiin verrattuna ja mitattavissa olevan virran määrää rajoittavat sisäisen shuntin ominaisuudet.

Korkeajännitteiset kaksisuuntaiset tarkkuusvirranmittausvahvistimet

STMicroelectronicsin TSC2011IST mahdollistaa tehohäviön minimoinnin, kun suunnittelijat hyödyntävät sen tarkkuusominaisuuksia käyttämällä resistanssiarvoiltaan alhaisia ulkoisia virtashuntteja (kuva 5). Tämä kaksisuuntainen virranmittausvahvistin on suunniteltu tuottamaan tarkkoja virtamittauksia sellaisissa sovelluksissa kuten tiedonhankinta, moottorinohjaus, solenoidinohjaus, instrumentaatio, testaus ja mittaus sekä prosessinohjaus.

Kuva 5: TSC2011IST sisältää sammutusnastan (SHDN) energiansäästöjen maksimoimiseksi, ja se toimii teollisuuden lämpötila-alueella -40 ... 125 °C. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

TSC2011IST:n vahvistus on 60 volttia/voltti (V/V), sen ominaisuuksiin kuuluvat integroitu sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suodatin ja 2 kilovoltin (kV) HBM-mallin (Human Body Model) mukainen sähköstaattisen purkauksen (ESD) sietokyky (JEDEC-standardin JESD22-A114F mukaan). TSC2011 pystyy havaitsemaan jopa vain 10 millivoltin (mV) jännitehäviön täydellä skaalalla. Tämä mahdollistaa yhdenmukaiset mittaukset. Sen 750 kilohertsin (kHz) vahvistus-kaistanleveystulo ja muuttumisnopeus 7,0 volttia mikrosekunnissa (V/µs) takaavat yhdessä korkean tarkkuuden ja nopean vasteen.

Suunnittelijat voivat käyttää STEVAL-AETKT1V2-evaluointikorttia aloittaakseen nopeasti TSC2011IST-virranmittausvahvistimen käytön (kuva 6). Se voi mitata virtaa laajalla yhteisjännitealueella -20 ... +70 V. TSC2011IST-piirin ominaisuudet:

• Vahvistusvirhe: maks. 0,3 %
• Offset-jännitteen ryömintä: maks. 5 µV/°C
• Vahvistuksen ryömintä: maks. 10 miljoonasosaa (ppm)/°C
• Lepovirta: 20 mikroampeeria (µA) pysäytystilassa

Kuva 6: STEVAL-AETKT1V2-evaluointikortti koostuu pääkortista ja TSC2011IST-piirin sisältävästä tytärkortista. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kaksisuuntainen virranmittausvahvistin sisäisellä shuntilla

Texas Instrumentsin INA253A1IPW sisältää 2 mΩ:n virtashuntin 0,1 %:n toleranssilla ja alhaisella induktanssilla. Tämä tukee jopa 80 voltin yhteisjännitettä (kuva 7). INA253A1IPW tarjoaa suunnittelijoille parannetun PWM-hylkäyspiirin voimakkaiden dv/dt-signaalien vaimentamiseksi ja mahdollistaa siten jatkuvan reaaliaikaisen virranmittauksen sellaisissa sovelluksissa kuten moottorikäytön ja solenoidiventtiilien ohjaus. Sisäinen vahvistin käyttää tarkkaa nollasiirtymätopologiaa, jonka yhteismuotoiset hylkäyssuhteet (CMRR) ovat >120 desibeliä (dB) DC CMRR ja 90 dB AC CMRR 50 kHz:n taajuudella.

Kuva 7: Kaksisuuntainen virranmittausvahvistin INA253A1IPW on esitetty tässä tyypillisessä käyttöesimerkissä. Se sisältää sisäisen virtashuntin, ja se voi mitata ±15 A:n jatkuvaa virtaa lämpötila-alueella -40 ...+85 °C. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Suunnittelijat voivat nopeuttaa INA253A1IPW-virranmittausvahvistimeen perustuvien järjestelmien kehittämistä hyödyntämällä sen INA253EVM-evaluointikortissa olevia testipisteitä, jotka antavat käyttöön virranmittausvahvistimen funktionaaliset kosketinnastat (kuva 8). Kaksikerroksisen piirilevyn koko on 2,4 × 4,2 tuumaa, ja sen valmistukseen on käytetty 1 unssin (oz) kuparia.

Kuva 8: Kaksikerroksisen INA253EVM-piirilevyn koko on 2,4 × 4,2 tuumaa, ja sen valmistukseen on käytetty 1 oz kuparia. Alakerroksessa ei ole komponentteja, vaan se sisältää yhtenäisen kuparisen maatason, joka tarjoaa matalaimpedanssisen reitin paluuvirroille. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Piirilevyllä on vain vähän tukipiirejä, ja sen toiminnot voidaan tarpeen mukaan konfiguroida uudelleen, poistaa tai ohittaa. INA253EVM tarjoaa seuraavat ominaisuudet:

• kolme INA253A1IPW-piiriä
• helppo pääsy kaikkiin nastoihin
• piirilevyn asettelu ja rakenne, joka tukee ±15 A:n virtaa INA253-virranmittausvahvistimien kautta koko lämpötila-alueella -40 ... +85 °C
• piirilevyllä on varattu paikat komponenteille muita kuin oletuskonfiguraatiota varten.

Alakerroksessa ei ole komponentteja, vaan se sisältää yhtenäisen kuparisen maatason, joka tarjoaa matalaimpedanssisen reitin paluuvirroille.

AEC-Q100-hyväksytty kaksisuuntainen virranmittausvahvistin

Suunnittelijat voivat käyttää moottorinohjausten (kokosilta), hakkurivirtalähteiden, solenoidien ja akkupakettien sekä autoteollisuuden sovellusten virranvalvontaan Analog Devices -yrityksen LT1999IMS8-20#TRPBF-virranmittausvahvistinta (kuva 9).

Kuva 9: LT1999IMS8-20#TRPBF on kaksisuuntainen virranmittausvahvistin, jota voidaan käyttää kokosillan ankkurivirran valvontaan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF on AEC-Q100-hyväksytty autoteollisuuden sovelluksiin, ja se sisältää sammutustilan virrankulutuksen minimointiin. Laite mittaa ulkoisella shuntilla sekä virran suuntaa että määrää. Se tuottaa suhteellisen lähtöjännitteen, jonka referenssiarvo on syöttöjännitteen ja maadoituksen puolivälissä. Suunnittelijoilla on mahdollisuus käyttää ulkoista jännitettä referenssitason asetukseen.

LT1999IMS8-20#TRPBF siirtyy virtaa säästävään sammutustilaan, joka kuluttaa noin 3 μA, kun V_SHDN-jännitteen (nasta 8) ero maahan on korkeintaan 0,5 volttia. Tulonastat (+IN ja -IN) kuluttavat noin 1 nanoampeerin (nA), jos ne biasoidaan 0–80 voltin alueelle (ilman differentiaalista jännitettä). EMI-häiriöherkkyyttä vähennetään sisäisellä 1. asteen differentiaalisella EMI-alipäästösuodattimella, joka hylkää signaalit, joiden taajuus on laitteen kaistanleveyttä korkeampi.

Analog Devices tarjoaa LT1999-sarjan kokeiluun esittelykortin 1698A. Kortti vahvistaa sisäisen virranmittausvastuksen ylitse vaikuttavaa jännitehäviötä ja tuottaa kaksisuuntaisen lähtöjännitteen, joka on verrannollinen vastuksen läpi kulkevaan virtaan. Suunnittelijat voivat valita kolmen kiinteän vahvistusvaihtoehdon väliltä: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) ja 50 V/V (DC1698A-C).

Kaksisuuntainen virranmittausvahvistin PWM-hylkäyksellä

Suunnittelijat voivat käyttää virranmittausvahvistinta MAX40056TAUA+ (kuva 10) yhteisjännitetulon PWM-reunojen parannettuun hylkäämiseen induktiivisia kuormia, kuten solenoideja ja moottoreita, kontrolloivissa ratkaisuissa. Edellä kuvan 2 yhteydessä mainittu MAX40056TAUA+ on kaksisuuntainen virranmittausvahvistin, jonka kanssa voidaan käyttää muuttumisnopeuksia, jotka ovat ±500 volttia/µs tai enemmän. Sen CMRR-arvo on tyypillinen 60 dB (50 volttia, ±500 volttia/µs tulo) ja 140 dB DC. Sen yhteisjännitealue on -0,1 ... +65 volttia, ja se tarjoaa suojauksen induktiiviselta takaiskujännitteeltä aina -5 volttiin asti.

Kuva 10: MAX40056TAUA+ sisältää sisäisen 1,5 voltin referenssin, parannetun PWM-hylkäyksen sekä integroidun sisäisen ikkunakomparaattorin positiivisten ja negatiivisten ylivirtojen tunnistukseen (alavasemmalla, CIP-tulon ohjaamana). (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämä MAX40056TAUA+ sisältää sisäisen 1,5 voltin referenssin, jota voidaan käyttää useisiin tarkoituksiin:

• differentiaalisen analogia-digitaalimuuntimen ohjaaminen
• lähdön offset-siirto mitatun virran suunnan näyttämiseksi
• virran syöttäminen ulkoisiin kuormiin suorituskyvyn heikkenemisen korjaamiseksi.

Kun halutaan käyttää suurempia täyden skaalan lähtövaihteluita tai kun syöttöjännitteet ylittävät 3,3 volttia, suunnittelijat voivat ohittaa sisäisen referenssin korkeammalla ulkoisella jännitereferenssillä. Lisäksi suunnittelijat voivat käyttää joko sisäistä tai ulkoista referenssiä kynnysarvon asetukseen integroidun ylivirtakomparaattorin laukaisulle, mikä tarjoaa välittömän signaalin ylivirtaviasta.

Virranmittausvahvistimelle MAX40056TAUA+ tarkoitettu MAX40056EVKIT#-evaluointisarja tarjoaa suunnittelijoille luotettavan alustan erittäin tarkkojen, korkeajännitteisten, kaksisuuntaisten virranmittausvahvistinsovellusten, kuten solenoidikäyttöjen ja servomoottorinohjauksien kehittämiseen.

Yhteenveto

Nopeaa ja tarkkaa virranvalvontaa tarvitaan monissa erilaisissa sovelluksissa, joihin lukeutuvat autoteollisuus, tehdasautomaatio ja robotiikka, palvelinten virranhallinta, D-luokan audiovahvistimet ja lääketieteelliset järjestelmät. Monissa tapauksissa tarvitaan kaksisuuntaista virranmittausta.

Suunnittelijoilla on onneksi valittavissa useita erilaisia integroituja kaksisuuntaisia virranmittausvahvistimia ja niihin liittyviä kehitysalustoja, joilla nopea ja tarkka kaksisuuntainen virranvalvonta voidaan toteuttaa nopeasti ja tehokkaasti.

Suositeltavaa luettavaa

1. Käytä BLDC- ja PMS-moottoreissa anturitonta vektoriohjausta tarkkaan liikeohjaukseen
2. Miten valita ja käyttää kulmatunnistimia ohjaustehostimessa, moottoreissa ja robotiikassa