LEM
Avtor: Charles Flatot-Le Bohec
Štirje razlogi, zakaj so integrirani tokovni senzorji idealna rešitev, kadar so pomembni natančen nadzor, učinkovitost in zaščita.
Merjenje toka je ključna funkcija v številnih elektronskih napravah, vključno z napajalniki, sistemi za upravljanje akumulatorjev, pogoni elektromotorjev in omrežji za obnovljive vire energije. Za njihovo zaščito in učinkovito delovanje je bistveno natančno in zanesljivo merjenje toka. Vendar se pri merjenju toka pojavljajo izzivi, saj se gostota moči naprav povečuje, cilj pa je vedno narediti več z manj, vključno s čim manjšimi površinami na tiskanem vezju. V tem okolju prostorskih omejitev in visoke gostote moči imajo integrirani tokovni senzorji (ICS) pomembno vlogo.
Senzorji ICS, ki so idealni za različne avtomobilske, industrijske ali stanovanjske aplikacije, so tokovni senzorji s Hallovim učinkom, ki vključujejo vodnik, preko katerega teče tok, elemente za zaznavanje, rezino za obdelavo signala, nekatere namenske funkcije, kot so zaznavanje napak, in izolacijo, vse v enem ohišju. Hallov senzor je eden od načinov za brezkontaktno merjenje tokovno induciranega magnetnega polja. Hallova celica je zaznavni element, ki pretvori spremembo magnetnega polja v spremembo svoje upornosti, in ko skozi Hallovo celico teče konstanten tok, se izhodna napetost spremeni sorazmerno z magnetnim poljem. Podjetje LEM, ki je že 50 let vodilno na področju električnih meritev, nenehno razvija nove tehnologije, da bi zadostilo spreminjajočim se potrebam strank v sektorjih, v katerih deluje, zato se je odločilo investirati v lastno funkcijo načrtovanja ICS sistemov in je zdaj v postopku oblikovanja celotne ponudbe ICS sistemov.
Obstajajo štiri ključne prednosti, ki ponazarjajo, zakaj LEM meni, da so integrirani tokovni senzorji dobra naložba.
Zasnova brez jedra
Tradicionalni tokovni senzorji s Hallovim učinkom uporabljajo feritno jedro okoli tokovnega vodnika in senzorskih elementov, ki koncentrira magnetno polje. To jedro zagotavlja tudi zaščito pred neželenimi zunanjimi magnetnimi polji in šumom. Diferencialno merjenje omogoča odstranitev feritnega jedra z uporabo dveh senzorskih elementov (Hallovih celic), ki zajemata merjeno magnetno polje – eden s pozitivnim faktorjem, drugi z negativnim. Razlika obeh polj omogoča izničenje morebitnih dodatnih neželenih magnetnih polj. Integrirani tokovni senzorji izkoriščajo prednosti diferencialnega merjenja, da se izognejo uporabi feritnega jedra. Odstranitev jedra prinaša več prednosti v vgrajenih aplikacijah. Tako se na primer zmanjšajo stroški naprave, mehansko se poveča gostota moči na strani zaznavanja (do 75 A v 800V aplikacijah pri izdelkih LEM ICS), na merjenje pa ne vpliva magnetna histereza (ko na feromagnet deluje zunanje magnetno polje in se atomski dipoli z njim poravnajo). In končno, frekvenca in pasovna širina nista omejeni s inherentno nasičenostjo magnetnega elementa jedra.
Vgrajena izolacija
Nekateri sistemi potrebujejo posebno izolacijo za zaščito končnega uporabnika, kar pomeni, da mora biti uporabniški vmesnik fizično ločen od visokonapetostnega (VN) omrežja in ne sme imeti istega nivoja referenčne napetosti. ICS združuje funkcijo izolacije znotraj (galvanska izolacija) in zunaj (razdalje prehoda in odmik) naprave, kar pomeni, da ni fizične povezave med primarnim vodnikom, po katerem teče visoka napetost, in sekundarnim vezjem z ASIC čipom, ter sekundarnimi priključki. Ti dve strani komunicirata samo prek magnetnega polja, ki ga ustvarja električni tok. ASIC v ICS je izdelan v CMOS polprevodni tehnologiji, ki omogoča vgradnjo posebnih funkcij v komponento brez dodajanja strojne opreme. Na primer, vsi analogni in digitalni elementi, potrebni za zaznavanje, ojačenje in obdelavo proporcionalnega napetostnega signala, so izdelani na eni sami rezini s polprevodniškimi materiali, kar zagotavlja tudi majhno porabo in ustrezno disipacijo energije.
Pomemben dejavnik je tudi zaznavanje previsokega toka (angl. Over-current detection, OCD). Z notranjim OCD se ob prekoračitvi praga toka interno sproži izhodni signal, ki se pošlje na namenski priključek za napake. To omogoča, da mikrokontroler aplikacije prejme opozorilno informacijo z minimalno zakasnitvijo. V nasprotnem primeru bi bilo treba ukrepanje izvesti interno na podlagi jakosti toka, ki ga pošlje senzor, kar bi trajalo veliko dlje.
Kompenzacija in dodatne integrirane funkcije
Če je ASIC rezina izpostavljena mehanskim obremenitvam zaradi obremenitev na ohišje, lahko pride do premika občutljivosti (enako se lahko zgodi pri temperaturnih spremembah od -40 °C do +125 °C). Notranji senzorji v ASIC rezini kompenzirajo to odstopanje in zagotavljajo linearno in natančno občutljivost v velikem razponu pogojev. Pri diskretni zasnovi se temperatura šent upora močno spreminja z uporovnimi izgubami, kar zahteva dodaten korak zasnove v mikrokontrolerju, da se to natančno kompenzira. Nasprotno pa je rešitev ICS zasnovana po načelu “plug-and-play“.
Tradicionalno je izhodna napetost vedno sorazmerna z izmerjenim tokom, vendar sta možni dve referenčni napetosti. V ratiometričnem načinu je Vout izražena kot odstotek napajalne napetosti Vcc in zahteva stabilno napajanje. V fiksnem (neratimetričnem) načinu se Vout primerja z zunanjo referenčno napetostjo Vref. Proporcionalni signal je potemtakem Vout minus Vref, vendar je pri merjenem toku 0 A Vout = Vref – z drugimi besedami, referenčna napetost določa izhodno napetost v mirovanju (način s tokom, ki je enak nič). Podjetje LEM je razvilo dve družini ICS sistemov, serijo HMSR in serijo GO. ICS LEM HMSR in GO-SMS imajo notranje in zunanje OCD za maksimalno zaščito sistema, na voljo pa so tudi z ratiometričnimi in fiksnimi napetostnimi izhodi na zahtevo, odvisno od značilnosti sistema. Medtem ko serija LEM HMSR zagotavlja dodatno odpornost z integriranim jedrom, serija LEM GO v celoti izkorišča diferencialne meritve in ponuja vse zmogljivosti Hallovega tokovnega senzorja v kompaktnem, SMD integriranem vezju (SOIC) – SOIC8 ali 16. LEM GO-SMS lahko na primer zagotavlja osnovno izolacijo do 2.088 V in okrepljeno izolacijo 1.041 V (enosmerna ali največja delovna napetost) v skladu z IEC 62368-1.
Plug-and-play že v zasnovi
Skratka, integrirani tokovni senzorji razvijalcem omogočajo, da funkcijo zaznavanja toka uresničijo s pristopom plug-and-play in z eno komponento rešijo praktično vse svoje izzive. Zaradi popolne mehanske integracije in zelo majhnih izgub energije je velikost odtisa integriranega senzorja kar se da majhna, pri čemer ni toplotnih izzivov. Brezkontaktno merjenje z galvansko izolacijo ter standardnimi razdaljami med stranmi in razdaljami med priključki je zaradi svoje zasnove primerno za visokonapetostne aplikacije in lahko podpira strategijo načrtovanja okrepljene izolacije. Manjša ohišja z manjšo izolacijo in nepopolnimi funkcijami lahko znižajo stroške, tako da so cenovno konkurenčni, kadar izolacija ni potrebna (< 60 Vdc). Ta prilagodljivost pri opredelitvi izdelka omogoča, da so LEM ICS-i primerni za različne izdelke, bodisi za stroškovno optimizirane aplikacije bodisi za visoko zmogljive izolirane zasnove. Delovanje ICS ni ogroženo, saj je vsa obdelava signalov izvedena v ohišju s polprevodnimi elementi. To omogoča integracijo ad hoc specifičnih mehanizmov zaščite sistema, kot je hitro zaznavanje previsokega toka. Odvisno od arhitekture sistema in izbire zasnove se lahko tokovno proporcionalni napetostni izhod veže na napajalno napetost Vcc ali zunanji Vref.
Jasno je torej, da so integrirani tokovni senzorji idealni za številne aplikacije, kjer so potrebni natančen nadzor, učinkovitost in zaščita. Najnovejši integrirani senzorji toka podjetja LEM so še posebej primerni za aplikacije, pri katerih je zahteva po prostoru velika, prav tako pa se zahteva visoka gostota moči.
Na tem področju ima LEM ambiciozen načrt za razvoj še več ICS izdelkov, ki bodo zadovoljili posebne potrebe strank. Naslednja faza tega načrta bo uvedba HMSR DA, prvega ICS s sigma deltaizhodom z digitalnim tokom bitov.
