Microchip Technology Inc.
Avtot: Jerry Steele, Microchip Technology
Ko je potrebno zaznavanje toka, se oblikovalci običajno najprej odločijo za uporabo namenskih uporov, zasnovanih za to nalogo. Občasno pa se pojavi skušnjava, da bi razmislili o zaznavanju toka v sledi tiskanega vezja.
Slabosti uporabe bakrenih sledi kot tokovnih šent uporov
Za natančno zaznavanje toka v bremenu so potrebni upori za zaznavanje toka, ki se običajno imenujejo „tokovni šent upori“. Ti tokovni upori so postavljeni zaporedno z bremenom in na njih se pojavi napetost, ki je sorazmerna s tokom, ki teče skozi šent. Pri aplikacijah z visokim tokom lahko ti upori postanejo veliki in v obliki toplote trošijo precej energije. Ti pogoji nakazujejo, da bi bila lahko rešitev uporaba obstoječe bakrene sledi na tiskanem vezju (PCB – Printed Circuit Board). Med težavami pri uporabi šenta načrtovanegana bakreni sledi je temperaturni koeficient upora +0,39 %/°C, ki povzroča nizko natančnost pri temperaturi.
Pri uporabi bakrene sledi kot šenta obstajajo težave, predvsem zato, ker je upornost bakra zelo nizka, kar pomeni, da bo napetost signala tako majhna, da bo zahtevala razmeroma zahtevno ojačenje, ali pa bo dolžina tega upora povečala stroške zaradi potrebne površine TIV. Na porabo te površine vplivajo tudi zahtevane tolerance upornosti. Čeprav bi ozek vzorec upora zmanjšal dolžino in s tem tudi površino, tolerance jedkanja tiskanega vezja običajno narekujejo najmanjšo širino 0,015 do 0,025 palca. Druga težava je temperaturni koeficient bakra, ki znaša +0,39 %/°C, kar pomeni, da se padec napetosti pri danem toku poveča za 20 % pri dvigu temperature za 50 °C. Upoštevajte tudi, da dimenzijske tolerance neposredno vplivajo na vrednost upora. Nadzor robov procesa jedkanja z računalnikom običajno določa najmanjšo sprejemljivo širino.
Metoda za natančno zaznavanje toka v bakreni sledi
Metoda za reševanje problema temperaturnega koeficienta, ki jo bomo obravnavali tukaj, se zgleduje po tehnikah oblikovalcev vezij na čipu in namesto uporabe absolutnih vrednosti uporablja geometrijsko razmerje za določitev ojačenja vezja. Tudi ta metoda ni brez težav, saj so padci napetosti izredno majhni, pogosto pod 10 mV. K sreči sodobni ojačevalniki z ničelnim ofsetom (samodejni ofset ali chopper) ponujajo pripravljeno rešitev za problem nizkih padcev napetosti. Kot bo razvidno, je pri doseganju začetne natančnosti še vedno nekaj omejitev, čeprav je metoda po umerjanju lahko zelo natančna.
Namen tega je ustvariti dva upora z geometrijskim razmerjem, ki bosta določala naše ojačenje. Na primer, vzemimo v poštev visokotokovno pot (imenovano RSHUNT) z naslednjimi (normaliziranimi) dimenzijami: Dolžina (L)=1, širina (W)=10. Za element za določanje ojačenja (imenovan RGcreate)pa še en vzorec z L=10 in W=1. Tako dobimo razmerje dimenzij in s tem upornosti 100:1. Ker je upor za ojačenje namenjen temperaturni kompenzaciji poti RSHUNT z visokim tokom, mora biti nameščen simetrično in v bližini elementa RSHUNT. Slika 2 prikazuje konceptualno risbo usklajevanja razmerja med bakrenim uporom za nastavitev ojačenja na bakreni sledi na tiskanem vezju in bakrenim šentom sledi tiskanega vezja, da se čim bolj zmanjšajo začetne napake in napake zaradi temperature. Postavitev uporov izkorišča razmerja in prepletanje.
Osnovno vezje, ki je bilo uporabljeno pri začetnem testiranju koncepta, je prikazano na poenostavljeni shemi na sliki 1. Operacijski ojačevalnik poganja MOSFET, ki prek upora, ki določa ojačenje, zagotavlja potreben povratni tok in izhodno napetost, sorazmerno z izmerjenim tokom. To je osnovno vezje, zasnovano za „zaznavanje na nizki strani“, kjer je ena sponka tokovnega šenta ozemljena, izhod ojačevalnika pa je definiran glede na zemljo. Upoštevajte, da to vezje zahteva ojačevalnik z izjemno majhnim vhodnim ofsetom, kot ga zagotavljajo ojačevalniki z ničelnim drsenjem (serija Microchip MCP6V76 je ojačevalnik z ničelnim drsenjem in z največjim vhodnim ofsetom 25 µV).
V poenostavljeni shemi upoštevajte, da je tok skozi R3 in RG vedno odvisen od vhodnega toka in razmerja uporov RSHUNT in RG. Dejanske vrednosti RSHUNT in RG morajo imeti le takšno skupno vrednost, da je tok znotraj zahtevane meje toka v MOSFET T1. Razmerje med RSHUNT in RG lahko določimo iz, glej formulo 1.
Ta tok določa razmerje, pri katerem je izhodni tok del vhodnega toka, sorazmeren z geometrijskim razmerjem. Napetost na vrhu R3 se uporablja kot izhod in jo je mogoče spreminjati za nastavitev ojačenja na poljubno vrednost. Primer razporeditve vezja na plošči, ki prikazuje RSHUNT in RG, je prikazan v vezju za zaznavanje toka na nizki strani na slikah 2 in 3.
Meritve zmogljivosti
Vezje na sliki 1 je bilo izvedeno za zaznavanje na nizki strani, da bi preprosto prikazali kompenzacijo bakrene sledi. Za doseganje absolutne natančnosti si nismo prizadevali, zato so bile vrednosti normalizirane za meritve v tabeli.
Na razvojni ploščici z uporabo Microchipovega operacijskega ojačevalnika MCP6V76 so bile pri preskusu temperaturnega zdrsa od 25 °C do 125 °C zabeležene naslednje vrednosti. Napake so bile enakomerne do več kot 100 °C, večino napake pri 125 °C pa je mogoče pripisati odstopanju drugih komponent, kot sta običajni upor, ki določa ojačenje in ojačevalnik, glej formulo 2.
Ishunt (A) 25˚C Vout Error as % of reading 125˚C Vout Error as % of reading
1,84 1,0001 0,01% 0,9790 -2,11%
Implementacija zaznavanja toka na visoki strani
Različico z zaznavanjem na visoki strani je mogoče izdelati na podlagi znanega vezja „Current Drive Current Sensing“, ki je prikazano na sliki 4.
Vezje tokovnega vira je zlahka prilagojeno metodi kompenzacije sledi, kjer sta RCUSHUNT in RCUGAIN1 sledi na plošči tiskanega vezja. RG je običajni upor za nastavitev na splošno želeno raven ojačenja.
Z1 je Zenerjeva dioda za „rail-to-rail“ operacijski ojačevalnik. D1 zagotavlja vhodno zaščito v primeru kratkega stika bremena. Dodatne podrobnosti o tem vezju so na voljo v referenci 1.
Razmislite o namenskem zaznavanju tokov
Ko izvajate zaznavanje toka na vezeh plošče tiskanega vezja, kmalu ugotovite, zakaj so ljudje izumili upore. Za izvedbo natančnega zaznavanja tokovnih sledi na plošči tiskanega vezja je vedno potrebna bistveno večja površina plošče kot pri šentu. Upoštevajte, da so najnižje ofset napetosti ojačevalnikov od 5 do 10 µV, spodobna natančnost pa se začne pri padcih napetosti na celotni skali za red velikosti nad tem. Ko upoštevate vse dejavnike, boste ugotovili, da bo fizično najmanjša rešitev v prid namenskemu šent uporu. Primer je prikazan na sliki 5, ki ponazarja enostavnost uporabe namenskih šent uporov in ojačevalnikov za zaznavanje toka. Šent upor zagotavlja natančno upornost in nizek temperaturni koeficient. Sodobni ojačevalniki za zaznavanje toka z nizkim drsenjem in nizkim ofsetom omogočajo manjše padce napetosti na šentu, kar izboljša učinkovitost in pogosto omogoča fizično manjše šente zaradi manjše razpršene moči šenta. Enosmerna in dvosmerna vezja so razmeroma enostavna.
O avtorju
Jerry Steele ima več kot 30 let izkušenj na področju analogne in močnostne elektronike, saj je delal v podjetjih Apex, National Semiconductor, TI in ON Semiconductor. Vloge so segale od aplikativnega inženirja do strateškega razvojnega inženirja in trenutno kot validacijski inženir pri Microchipu.
Referenca:
https://www.planetanalog.com/the-current-drive-current-sense-circuit/
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
