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ANALOG-/MIXED-SIGNAL-ICS
Zwei Strommessverstärker heben die Beschränkungen einzelner Verstärker auf
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High-Side-Strommessverstärker sind auf Grund ihrer Größe und ihres Kostenvorteils äußerst interessant, aber auch,
weil sie zahlreiche neue Applikationen ermöglichen. Insbesondere können Dual-Strommessverstärker zur Stromüberwachung von H-Brücken, für bidirektionale Stromüberwachungen und Anwendungen mit hohem/niedrigem Verstärkungsbereich nützlich sein. Speziell hierfür wurden die Typen LTC6103 und LTC6104 entwickelt.
Jede neue Generation von Entwicklungen
im Automotive- oder Industriebereich ist
mit steigenden Anforderungen an die
Präzisionskontrolle und diagnostische
Fähigkeiten sowie die Zuverlässigkeit und
Sicherheitsfunktionen konfrontiert. Um
diese neuen Funktionen zu ermöglichen,
ist häufig eine Präzisionsstrommessung
nötig. Daher hat die Nachfrage nach Präzisions-High-Side-Strommessverstärkern
in den letzten Jahren ständig zugenommen.
Die Applikationen für High-Side-Strommessverstärker reichen von Motor-/Servosteuerung über die Positionierung mit zylindrischen Spulen, Batterielade- und
-entladeschaltungen bis hin zu ÜberstromSchutzeinrichtungen und Kurzschlussdetektoren.
Bild 1: Aufbau einer High-Side-Strommessung
H-Brückentreiber
High-Side-Strommessung im Überblick
Die gängigste Methode zur Strommessung besteht darin, die Spannung mit einem kleinen Messwiderstand (RSENSE) zu
messen, der im Strompfad platziert wird.
Um Probleme durch die Platzierung eines
Wider-stands im Erdungspfad zu vermeiden, wird der Messwiderstand für gewöhnlich auf der Versorgungsseite der
Schaltung platziert. Gemäß Bild 1 zieht ein
High-Side-Strommessverstärker eine geringe Differenzspannung aus einer hohen
DC-Versorgungsspannung.
High-Side-Strommessung wurde traditionell mit einigen diskreten Bauteilen (Widerständen, Kondensatoren, Schaltern),
Operationsverstärkern, Differenzverstärkern und/oder Instrument-/Messverstärkern
realisiert. Heute bieten jedoch dedizierte
Bild 2a: H-Brücke mit einem Messwiderstand
˘ AUTOR
Greg Zimmer ist Product
Marketing Engineer bei
Linear Technology
Bild 2b: H-Brücke mit zwei Messwiderständen
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High-Side-Strommess-ICs schnellere Reaktionszeiten und niedrigeren Stromverbrauch, höhere Genauigkeit und weniger
Platzbedarf. Daher finden dedizierte HighSide-Strommessverstärker verbreitet Anwendung und befriedigen die Nachfrage
nach hochdichten Geräten. Ein Dual-Gerät
(zwei High-Side-Strommessverstärker in
einem Gehäuse) ist besonders für die
Überwachung einer doppelten Stromversorgung interessant und kann auf
einzigartige Weise einige
gängige Strommessapplikationen ermöglichen.
Stellantriebe, etwa für einen Motor, sind normalerweise bidirektional und basieren für gewöhnlich auf
einer H-Brückentopologie.
Die H-Brücken-MOSFET-Anordnung (Bild 2) arbeitet
mit Pulsbreitenmodulation
(PWM), um das gesteuerte
Drehmoment zu ändern.
Strommessung kann als Teil einer ClosedLoop-Servo- und/oder Fehlerdetektor- und
Schutzfunktion verwendet werden. Der
klassische Ansatz der Strommessung besteht darin, einen Messwiderstand mit
dem Verbraucher in Reihe zu schalten
(Bild 2a). Ein besserer Ansatz ist, zwei Messwiderstände zu verwenden, die zwischen
die Stromversorgung und jede H-Brücke
platziert werden (Bild 2b). Die Messspannungen spiegeln nun akkurat den Strom in
jeder H-Brücke wider. Dadurch wird das
Rauschen vermieden, das wegen der
großen Spannungsschwankungen, die
beim Motorlaststrom auftreten, im Strommessverstärker induziert wird. Darüber
hinaus werden durch den geteilten Aufbau
MOSFET-Fehler oder Kurzschlüsse erkannt,
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ANALOG-/MIXED-SIGNAL-ICS
Bild 3: Bidirektionaler High-Side-Strommessverstärker
die mit einem einzelnen Messwiderstand
nicht detektierbar sind.
Bidirektionaler Betrieb
Bidirektionale Strommessung bezieht sich
auf die Überwachung des Stromflusses in
beiden Richtungen durch einen Messwiderstand. Zum Beispiel kann in einem batteriebetriebenen System ein Messwiderstand den Entladestrom von der Batterie
zum Verbraucher überwachen, und derselbe Widerstand könnte dazu verwendet
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Bild 4: Bidirektionaler Betrieb mit zwei unidirektionalen Verstärkern. Die Ausgabe von bidirektionalen Schaltungen kann differenziell oder,
über eine Additionsschaltung, auf Masse bezogen sein, wobei diese Single-Ended-Variante
aber nicht in der Abbildung dargestellt ist.
werden, um den Ladestrom vom Ladegerät zur Batterie zu überwachen (Bild 3).
Bidirektionale Strommessverstärker wie
etwa der LT1787 von Linear Technology
bieten eine einfache Lösung für bidirektionale Applikationen. Diese Verstärker
können positive und negative Messspannungen von Gleichtaktspannungen bis zu
60 V erkennen.
Eine Alternative zur Verwendung eines bidirektionalen Strommessverstärkers besteht darin, zwei unidirektionale Bauteile
zu verwenden, wobei jeder Verstärker
den Strom in einer Richtung überwacht. Ein
Vorteil dieser Technik ist die Vergrößerung
des effektiven maximalen Eingangsmessbereichs. Um dies zu verstehen, sollte man
bedenken, dass ein einzelner bidirektionaler Verstärker Spannungen zwischen
–VSENSE und +VSENSE bewältigen muss.
Da Dynamikbereich, Genauigkeit des Verstärkungsfaktors und Reaktionszeiten von
der maximalen Messspannung abhängen,
können zwei separate Verstärker, von denen jeder die Hälfte des Eingangssignalbereichs verarbeitet, die Leistung steigern.
Ein bidirektionaler Betrieb mit zwei Verstärkern kann auch nützlich sein, wenn es
in beiden Richtungen unterschiedliche
Strombereiche gibt. Zum Beispiel kann bei
einem Schnellladesystem der Ladestrom
deutlich höher sein als der Entladestrom.
Für diese Situation können für jede Richtung unterschiedliche Verstärkungs- ˘
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Entladestrom werden nicht durch denselben Widerstand gezwungen. Mit separaten Messwiderständen lassen
sich die Verstärkung und die Auflösung für jede Richtung anpassen.
Hoher/niedriger
Verstärkungsbereich
Bild 5: Hoher/niedriger Verstärkungsbereich durch
zwei unidirektionale Verstärker
Im Rahmen einer unidirektionalen
Stromüberwachung über einen großen Strombereich kann bei zwei Verstärkern mit verschiedenen Messwiderständen in Reihe ein Hoch- und
ein Niederstrombereich vorgesehen
werden. Dadurch wird die Strommessung in zwei Aufgaben unterteilt.
Jede wird von einem gesonderten Verstärker erledigt, wodurch eine große
Betriebsdynamik erzielt wird. Gemäß
Bild 5 kann die Schaltung benutzt verwendet werden, um die Strommessausgaben miteinander zu verbinden,
und ein MOSFET kann dafür genutzt
werden, den Niederstrom-Messwiderstand zu umgehen, wenn im Hochstrombereich gearbeitet wird. Durch
das Umgehen des Niederstrom-Messwiderstands wird die Verlustleistung
reduziert, und die Zuverlässigkeit
steigt,weil kein hoher Strom durch diesen Widerstand gezwungen wird.
LTC6103 und LTC6104
Bild 6: LTC6103
Bild 7: LTC6104
faktoren bzw. verschiedene Messwiderstände verwendet werden. Werden verschiedene Messwiderstände verwendet
(wie in Bild 4 zu sehen), dann lässt sich
eine hohe Verlustleistung vermeiden, denn
der hohe Ladestrom und der niedrigere
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LTC6103 und der LTC6104 von Linear
Technology sind für duale High-SideStrommessapplikationen be-sonders
gut geeig-net. Diese neuen Bauteile
haben zwei High-Side-Verstärker in einem einzigen MSOP8-Gehäuse. Der
LTC6103 enthält zwei voneinander völlig unabhängige Verstärker, und im
LTC6104 befinden sich zwei Verstärker,
deren Ausgänge durch einen Stromspiegel kombiniert sind. Die zwei
unabhängigen Ausgänge des LTC6103
können eine einzige Differenzausgabe liefern, was ideal für ADC-Verbindungen sein kann. Der eine bidirektionale Ausgang des LTC6104-Ausgangs ist
für Rückkopplungslösungen und Servosteuerungen geeignet.
Jeder Verstärker reagiert in 1-μs-Schritten,was
eine schnelle Reaktion ermöglicht, wenn
schnelle und vielleicht unerwartete Stromänderungen gemessen werden.Mit einer Ein-
gangsgleichtaktspannung von bis zu 70 V
können der LTC6103 und der LTC6104 mit einem großen Bereich von Systemspannungen arbeiten. Diese hohe Gleichtaktspannung sorgt zudem für reichlich Luft, um
auch bei Lastfehlern oder unter Rücklaufbedingungen, die hohe Spannungsspitzen
verursachen können, zu funktionieren. Da
diese Bauteile über einen Temperaturbereich von – 40 bis 125 °C arbeiten,sind sie für
industrielle und automotive Lösungen
ideal geeignet.
Der Eingangsruhestrom liegt weit unter
1 μA (typisch 100 nA),wodurch bei den meisten Applikationen der Eingangsstrom als
Fehlerquelle praktisch ausgeschaltet wird.
Die maximale Eingangsoffsetspannung beträgt ± 450 μV. Dadurch weisen diese Verstärker Messspannungsauflösungen bis zu
450 μV auf. Bei dieser ausgezeichneten
Genauigkeit kann der Anwender sehr
flexibel einen Messwiderstand wählen,um
den Dynamikbereich zu maximieren oder
die Verlustleistung zu minimieren. Sobald
ein geeigneter Messwiderstand gewählt
ist, können die beiden Einstellwiderstände
für die Verstärkungs- und Impedanzcharakteristika gewählt werden, die am
besten für die Applikation geeignet sind.
Grundsätzlich arbeiten der LTC6103 und der
LTC6104 als High-Common-Mode-Transimpedanzverstärker. Alternativ zur Strommessung können diese Verstärker mit Hilfe einer kleinen Messspannung mit großen
differenziellen Eingangsspannungen arbeiten. Eine solche Signalüberwachung ist
derzeit für Messungen nicht bezeichnend,
sondern eher Spannungsmessungen.
Im Unterschied zu den meisten High-SideStrommessverstärkern, die ein maximales
Eingangssignal von 500 mV oder weniger
aufweisen, wird beim LTC6103 und beim
LTC6104 die maximale Differenzeingangsspannung nur durch die Versorgungsspannung vorgegeben. Diese Funktionalität
kann für die Überwachung von Signalen
nützlich sein,die von potenzialfreien Stromversorgungen oder Laserdioden kommen,
wo High-Side-Spannungsüberwachung erforderlich ist.
(av)
˘
infoDIRECT
312ei0407
www.elektronik-industrie.de
˘ Link zu Linear Technology
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