Skuteczne wdrażanie funkcji monitorowania prądu z użyciem zintegrowanych dwukierunkowych wzmacniaczy pomiarowych prądu

Szybkie i dokładne monitorowanie prądu jest potrzebne w coraz większej gamie zastosowań, w tym w pojazdach autonomicznych, automatyce i robotyce fabryk, komunikacji, zarządzaniu zasilaniem serwerów, wzmacniaczach audio klasy D i systemach medycznych. W wielu z tych zastosowań wymagany jest dwukierunkowy pomiar prądu, realizowany w sposób wydajny i przy minimalnych kosztach.

Chociaż istnieje możliwość zbudowania dwukierunkowego wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) przy użyciu pary jednokierunkowych wzmacniaczy CSA, może to być proces złożony i czasochłonny. Wymagałoby to połączenia dwóch wyjść w jedno za pomocą oddzielnego wzmacniacza operacyjnego typu „rail-to-rail” lub użycia dwóch wejść przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) na mikrokontrolerze, co wymagałoby dodatkowego kodowania mikrokontrolera i cykli maszynowych. Wreszcie zbudowanie dwukierunkowego wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) przy użyciu dwóch jednokierunkowych urządzeń CSA - oraz dodatkowych komponentów wymaganych do zintegrowania ich w rozwiązanie dwukierunkowe - może zająć więcej miejsca na płytce drukowanej, a większa liczba części może zmniejszyć niezawodność i zwiększać wymagania dotyczące zapasów. Efektem końcowym może być przekroczenie planowanych kosztów i harmonogramu projektu.

Zamiast tego projektanci mogą sięgnąć po zintegrowane, szybkie i precyzyjne dwukierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu. Mogą wybierać spośród zintegrowanych dwukierunkowych wzmacniaczy pomiarowych prądu z wewnętrznymi rezystorami bocznikowymi o niskiej indukcyjności, które stanowią najbardziej kompaktowe rozwiązania, lub dwukierunkowych wzmacniaczy pomiarowych prądu, które wykorzystują zewnętrzne boczniki prądowe, zapewniając bardziej elastyczną konstrukcję i opcje układu.

W niniejszym artykule omówiono wymagania dotyczące implementacji dwukierunkowych wzmacniaczy pomiarowych prądu oraz korzyści płynące z bardziej zintegrowanego podejścia. Następnie przedstawiono przykładowe urządzenia firm STMicroelectronics, Texas Instruments i Analog Devices, wraz z ich najważniejszymi parametrami i cechami wyróżniającymi. Na koniec omówiono rozpoczynanie projektowania z tymi urządzeniami, z uwzględnieniem powiązanych projektów referencyjnych, zestawów ewaluacyjnych, zestawów rozwojowych oraz wskazówek dotyczących projektowania i wdrażania.

Jak korzystać z dwóch jednokierunkowych wzmacniaczy pomiarowych prądu (CSA)

Dwukierunkowy obwód wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) można zbudować na więcej niż jeden sposób przy użyciu dwóch jednokierunkowych urządzeń CSA (ilustracja 1). Wzmacniacz MAX4172ESA+T firmy Analog Devices użyty w przykładzie po lewej stronie nie zawiera wewnętrznego rezystora obciążającego, dlatego wykorzystuje elementy dyskretne R_a i R_b. W przykładzie po prawej stronie urządzenie MAX4173TEUT+T posiada wewnętrzny rezystor obciążający 12kΩ, który przekształca jego prąd wyjściowy na napięcie.

Ilustracja 1: rozwiązania z dwukierunkowym czujnikiem pomiarowym prądu wykorzystujące dwa jednokierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu mogą być realizowane przy użyciu zewnętrznych rezystorów obciążających (po lewej) lub z wewnętrznym rezystorem obciążającym (po prawej). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Obwód MAX4173TEUT+T nie wymaga dwóch rezystorów obciążających jednak posiada dodatkowy kondensator 1nF sprzężenia zwrotnego do stabilizacji pętli sterowania w części B. W obu przypadkach prądy wyjściowe z dwóch wzmacniaczy pomiarowych prądu (CSA) są łączone za pomocą wzmacniacza operacyjnego ogólnego przeznaczenia MAX4230AXK+T.

W obu podejściach występuje większa liczba komponentów niż wymagana w przypadku pojedynczego dwukierunkowego wzmacniacza pomiarowego prądu. Oprócz większej liczby części, układ płytki drukowanej jest bardziej złożony, ponieważ oba jednokierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu (CSA) muszą być umieszczone w bliskiej odległości od rezystora pomiarowego V_SENSE.

Przykłady zastosowań z dwukierunkowymi wzmacniaczami pomiarowymi prądu (CSA)

Dwukierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu (CSA) są wszechstronnymi urządzeniami, które można spotkać w wielu różnych zastosowaniach. Na przykład dwa wzmacniacze pomiarowe prądu (CSA) mogą być używane w trójfazowym układzie serwosilnika do określania chwilowych prądów uzwojeń we wszystkich trzech fazach, bez dalszych obliczeń lub informacji o fazach impulsów modulacji szerokości impulsu (PWM) lub cyklach roboczych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: w zastosowaniu obsługującym serwosilnik trójfazowy, dwa dwukierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu (CSA) mogą być połączone przez rezystory pomiarowe dla fazy 1 (R_SENSΦ1) i fazy 2 (R_SENSΦ2) w celu wygenerowania napięcia reprezentującego prąd w uzwojeniu trzeciej fazy. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Prawo Kirchhoffa mówi, że suma prądów w pierwszych dwóch uzwojeniach jest równa prądowi w trzecim uzwojeniu. Obwód wykorzystuje dwa dwukierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu (CSA) MAX40056TAUA+ do pomiaru prądów dwufazowych, które są sumowane we wzmacniaczu operacyjnym ogólnego przeznaczenia MAX44290ANT+T. Ponieważ wszystkie trzy wzmacniacze mają to samo napięcie referencyjne, wykonywane są pomiary ratiometryczne.

W innym przykładzie wzmacniacz audio klasy D, pojedynczy dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA), jak np. INA253A1IPW firmy Texas Instruments, może służyć do dokładnego pomiaru prądu obciążenia głośników (ilustracja 3).

Ilustracja 3: dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (INA253) może być użyty w projektach audio klasy D do implementacji ulepszeń i diagnostyki głośników. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Pomiary prądu obciążenia głośników w czasie rzeczywistym mogą być wykorzystywane do diagnostyki i optymalizacji wydajności wzmacniacza poprzez ilościowe określenie kluczowych parametrów głośników i ich zmian. Parametrami takimi mogą być:

• Rezystancja cewki
• Impedancja głośnika
• Częstotliwość rezonansowa i szczytowa impedancja przy częstotliwości rezonansowej
• Temperatura otoczenia głośnika w czasie rzeczywistym

Wskazówki dotyczące układu płytki i zagadnienia dotyczące bocznika prądowego

Przy wdrażaniu obwodów pomiarowych prądu problem stanowią rezystancje i indukcyjności pasożytnicze. Ponadto błędy pomiaru mogą być powodowane przez nadmierną rezystancję lutowia i rezystancję pasożytniczą ścieżek. Często stosuje się czterozaciskowe rezystory pomiarowe prądu. Jeśli nie ma możliwości użycia rezystora czterozaciskowego, należy zastosować techniki układu Kelvina na płytce drukowanej (ilustracja 4).

Ilustracja 4: ścieżki pomiarowe Kelvina powinny znajdować się jak najbliżej lutowniczych pól kontaktowych na rezystorze pomiarowym prądu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Umieszczenie ścieżek pomiarowych Kelvina jak najbliżej lutowniczych punktów kontaktowych rezystora pomiarowego prądu minimalizuje rezystancje pasożytnicze. Szerszy odstęp między ścieżkami pomiarowymi Kelvina wprowadzi błąd pomiaru spowodowany dodatkową rezystancją ścieżki.

Wybór rezystora pomiarowego jest ważnym aspektem minimalizacji indukcyjności pasożytniczej. Indukcyjność obudowy należy zminimalizować, ponieważ błąd napięcia jest proporcjonalny do prądu obciążenia. Ogólnie rzecz biorąc, rezystory drutowe mają najwyższą indukcyjność, a standardowe urządzenia na bazie folii metalowej mają indukcyjności średniego poziomu. Do zastosowań z pomiarem prądu ogólnie zaleca się rezystory wykonane z folii metalowej o niskiej indukcyjności.

Wartość rezystora bocznikowego jest kompromisem między zakresem dynamiki a stratami mocy. W przypadku pomiaru wysokich prądów zaleca się użycie bocznika o niskiej wartości w celu zminimalizowania strat ciepła (I²R). W przypadku pomiaru niskich prądów można zastosować wyższą wartość rezystancji, aby zminimalizować wpływ napięcia niezrównoważenia na obwód pomiarowy.

Większość wzmacniaczy pomiarowych prądu wykorzystuje zewnętrzne boczniki prądowe, jednak w niektórych stosuje się boczniki wewnętrzne. Użycie boczników wewnętrznych pozwala uzyskać bardziej kompaktowe konstrukcje z mniejszą liczbą komponentów, jednak wiąże się to z kilkoma wadami, takimi jak: mniejsza elastyczność, ponieważ wartość bocznika jest z góry określona, potrzeba wyższego prądu spoczynkowego w porównaniu ze wzmacniaczami CSA z bocznikami zewnętrznymi, a wartość prądu, jaką można zmierzyć, jest ograniczona przez możliwości bocznika wewnętrznego.

Precyzyjne dwukierunkowe wzmacniacze pomiarowe prądu wysokiego napięcia

Ten wzmacniacz TSC2011IST firmy STMicroelectronics umożliwia projektantom zminimalizowanie strat mocy poprzez wykorzystanie jego precyzyjnych właściwości w celu użycia zewnętrznych boczników prądowych o niskiej rezystancji (ilustracja 5). Omawiany dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) jest przeznaczony do precyzyjnych pomiarów prądu w zastosowaniach takich jak akwizycja danych, sterowanie silnikami, sterowanie elektromagnesami, oprzyrządowanie, badania i pomiary oraz sterowanie procesami.

Ilustracja 5: wzmacniacz TSC2011IST zawiera wtyk wyłączający (SHDN) do maksymalizacji oszczędności energii i działa w przemysłowym zakresie temperatur od -40 do 125°C. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Wzmacniacz TSC2011IST ma wzmocnienie 60V/V, zintegrowany filtr zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i tolerancję na wyładowania elektrostatyczne (ESD) wg modelu ludzkiego ciała (HBM) 2kV (zgodnie z normą JEDEC JESD22 -A114F). Urządzenia TSC2011 są w stanie wykrywać spadki napięcia zaledwie 10mV w pełnej skali, co zapewnia spójność pomiarów. Jego iloczyn wzmocnienia i szerokości pasma 750kHz oraz szybkość narastania 7,0V/µs zapewniają wysoką dokładność i szybką reakcję.

Aby szybko rozpocząć korzystanie ze wzmacniacza TSC2011IST, projektanci mogą skorzystać z płytki ewaluacyjnej STEVAL-AETKT1V2 (ilustracja 6). Może ona dokonywać pomiaru prądu w szerokim zakresie napięć sygnału współbieżnego, od -20 do +70V. Charakterystyka urządzenia TSC2011IST:

• Błąd wzmocnienia: 0,3% maks.
• Dryft napięcia niezrównoważenia: 5µV/°C maks.
• Dryft wzmocnienia: 10ppm)/°C maks.
• Prąd spoczynkowy: 20µA w trybie wyłączenia

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna STEVAL-AETKT1V2 zawiera płytę główną i płytkę podrzędną zawierającą wzmacniacz TSC2011IST. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) z bocznikiem wewnętrznym

Urządzenie INA253A1IPW firmy Texas Instruments zawiera wewnętrzny bocznik prądowy 2mΩ, 0,1% o niskiej indukcyjności i obsługuje napięcia sygnału współbieżnego do 80V (ilustracja 7). Urządzenie INA253A1IPW zapewnia projektantom ulepszone obwody tłumienia modulacji szerokości impulsu (PWM) pozwalające na tłumienie dużych sygnałów dv/dt, umożliwiając ciągłe pomiary prądu w czasie rzeczywistym w zastosowaniach, takich jak sterowanie silnikami i zaworami elektromagnetycznymi. Wzmacniacz wewnętrzny charakteryzuje się precyzyjną topologią zerowego dryftu ze współczynnikami tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) prądu stałego >120dB i prądu zmiennego 90dB przy częstotliwości 50kHz.

Ilustracja 7: dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) INA253A1IPW, pokazany tutaj w typowym zastosowaniu, posiada wewnętrzny bocznik prądowy i może mierzyć prąd ciągły ±15A w zakresie temperatur od -40 do 85°C. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Projektanci mogą przyspieszyć opracowywanie projektów systemów opartych na wzmacniaczu INA253A1IPW, wykorzystując punkty testowe na powiązanej płytce ewaluacyjnej INA253EVM, pozwalające na dostęp do styków funkcjonalnych wzmacniacza pomiarowego prądu (CSA) (ilustracja 8). Dwuwarstwowa płytka ma wymiary 2.4" × 4,2" i jest wykonana z miedzi 1oz.

Ilustracja 8: dwuwarstwowa płytka ewaluacyjna INA253EVM ma wymiary 2,4" × 4,2" i jest wykonana z miedzi 1oz. Dolna warstwa nie zawiera komponentów, ale zawiera litą miedzianą powierzchnię uziemiającą, która zapewnia ścieżkę o niskiej impedancji dla prądów powrotnych. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Na płytce drukowanej znajduje się zespół obwodów elektrycznych wymagający minimalnej obsługi, a w razie potrzeby funkcje można ponownie konfigurować, usuwać lub pomijać. Płytka INA253EVM zapewnia następujące funkcje:

• Trzy urządzenia INA253A1IPW
• Łatwy dostęp do wszystkich wtyków
• Układ i konstrukcja płytki obsługują prąd o natężeniu ±15A przez wzmacniacze pomiarowe prądu INA253 w pełnym zakresie temperatur od -40 do +85°C
• Miejsce na płytce drukowanej na konfiguracje inne niż domyślna

Dolna warstwa nie zawiera komponentów, ale zawiera litą miedzianą powierzchnię uziemiającą, która zapewnia ścieżkę o niskiej impedancji dla prądów powrotnych.

Dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) z kwalifikacją AEC-Q100

Do monitorowania prądu w pełnomostkowych sterownikach silników, zasilaczach przełączających, elektromagnesach i pakietach baterii, a także w zastosowaniach motoryzacyjnych projektanci mogą użyć wzmacniacza LT1999IMS8-20#TRPBF firmy Analog Devices (ilustracja 9).

Ilustracja 9: dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu (CSA) LT1999IMS8-20#TRPBF w zastosowaniu do monitorowania prądu twornika w układzie pełnomostkowym. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Wzmacniacz LT1999IMS8-20#TRPBF posiada kwalifikację AEC-Q100 do zastosowań motoryzacyjnych i posiada tryb wyłączenia do minimalizowania zużycia energii. Urządzenie wykorzystuje zewnętrzny bocznik do pomiaru zarówno kierunku, jak i natężenia przepływającego prądu. Generuje on proporcjonalne napięcie wyjściowe, którego poziom odniesienia znajduje się w połowie między napięciem zasilania a masą. Projektanci mają możliwość podania zewnętrznego napięcia w celu ustawienia poziomu odniesienia.

Wzmacniacz LT1999IMS8-20#TRPBF przechodzi w stan wyłączenia niskiej mocy, pobierając około 3μA, gdy różnica między napięciem V_SHDN (wtyk 8) a napięciem masy jest mniejsza lub równa 0,5V. Wtyki wejściowe (+IN i -IN) pobierają około 1nA prądu, jeśli są spolaryzowane napięciem w zakresie od 0 do 80V (bez przyłożonego napięcia różnicowego). Podatność na zakłócenia elektromagnetyczne jest zmniejszona przez wewnętrzny różnicowy filtr dolnoprzepustowy tłumiący zakłócenia elektromagnetyczne 1. rzędu, który pomaga eliminować sygnały wysokiej częstotliwości poza pasmem urządzenia.

Do eksperymentów z serią LT1999 firma Analog Devices oferuje płytkę demonstracyjną 1698A. Płytka wzmacnia spadek napięcia na wbudowanym rezystorze pomiarowym prądu i generuje dwukierunkowe napięcie wyjściowe, które jest proporcjonalne do prądu płynącego przez rezystor. Projektanci mogą wybrać jedną z trzech opcji o stałym wzmocnieniu: 10V/V (DC1698A-A), 20V/V (DC1698A-B) i 50V/V (DC1698A-C).

Dwukierunkowy wzmacniacz pomiarowy prądu z tłumieniem modulacji szerokości impulsu (PWM)

Aby poprawić tłumienie zboczy modulacji szerokości impulsu (PWM) sygnału współbieżnego w projektach kontrolujących obciążenia indukcyjne, takie jak elektromagnesy i silniki, projektanci mogą użyć wzmacniacza MAX40056TAUA+ (ilustracja 10). Wspomniany wcześniej w kontekście ilustracji 2 wzmacniacz MAX40056TAUA jest dwukierunkowym wzmacniaczem pomiarowym prądu (CSA), który może obsługiwać szybkości narastania ±500V/µs i wyższe. Jego typowy współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) wynosi 60dB (50V, ±500V/µs wejście) i 140dB dla prądu stałego. Zakres pracy w trybie współbieżnym wynosi od -0,1V do +65V i obejmuje ochronę przed indukcyjnymi napięciami odbicia do -5V.

Ilustracja 10: wzmacniacz MAX40056TAUA posiada wewnętrzne źródło referencyjne 1,5V, ulepszone tłumienie modulacji szerokości impulsu (PWM) i zintegrowany wewnętrzny komparator okienkowy do wykrywania zarówno dodatnich, jak i ujemnych warunków przetężenia (na dole po lewej, sterowany przez wejście CIP). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Opisywany wzmacniacz MAX40056TAUA posiada wewnętrzne źródło referencyjne 1,5V, które może być używane do wielu celów, jak np.:

• Sterowanie różnicowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym
• Kompensacja wyjścia w celu pokazania kierunku mierzonego prądu
• Źródło prądu dla zewnętrznych odbiorników w celu złagodzenia spadku parametrów

Projektanci mogą zastąpić wewnętrzne źródło referencyjne napięcia wyższym zewnętrznym napięciem referencyjnym, jeśli przydatne są większe wahania na wejściu pełnoskalowym lub dla napięć zasilania powyżej 3,3V. Wreszcie, projektanci mogą wykorzystać wewnętrzne lub zewnętrzne źródła referencyjne do ustawienia progu wyzwalania zintegrowanego komparatora nadprądowego, zapewniając natychmiastowy sygnał usterki nadprądowej.

Zestaw ewaluacyjny MAX40056EVKIT# do wzmacniacza MAX40056TAUA zapewnia projektantom sprawdzoną platformę do opracowywania wysoce precyzyjnych, wysokonapięciowych rozwiązań z dwukierunkowymi wzmacniaczami pomiarowymi prądu (CSA), takich jak napędy elektromagnetyczne i układy sterowania serwosilnikami.

Podsumowanie

Szybkie i dokładne monitorowanie prądu jest potrzebne w różnych zastosowaniach, od motoryzacji, automatyki przemysłowej i robotyki, po zarządzanie zasilaniem serwerów, wzmacniacze audio klasy D i systemy medyczne. W wielu przypadkach potrzebny jest dwukierunkowy pomiar prądu.

Na szczęście projektanci mogą wybierać spośród wielu zintegrowanych dwukierunkowych wzmacniaczy pomiarowych prądu (CSA) i powiązanych z nimi platform rozwojowych, aby szybko i wydajnie wdrożyć szybkie i dokładne funkcje dwukierunkowego monitorowania prądu.

Rekomendowane artykuły

1. Wykorzystanie bezczujnikowego sterowania wektorowego w silnikach bezszczotkowych prądu stałego (BLDC) i silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi (PMS) do precyzyjnego sterowania ruchami
2. Jak dobrać i stosować czujniki kąta we wspomaganiu, silnikach i robotyce