Strommessung auf der hochliegenden oder tiefliegenden Seite?

Maxim GmbH
Fraunhoferstr. 11
D 82152 Planegg-Martinsried
Strommessung auf der hochliegenden oder tiefliegenden Seite?
Eine Gegenüberstellung
Arpit Mehta, Strategic Applications Engineer
Maxim Integrated Products Inc., Sunnyvale, Calif.
Power Management in heutigen Elektroniksystemen optimiert den Gesamtwirkungsgrad
des Systems über eine effektiv gestaltete Leistungsverteilung. Ein wichtiger Aspekt
hierbei ist die Stromerfassung. Diese hilft nicht nur, die gewünschten Leistungsbereiche
einzuhalten, sondern unterstützt auch die Überwachung der Systemparameter auf
unzulässige Betriebsbereiche wie Schaltkreisfehler, -ausfälle oder überladene Batterien.
Grundlegende Messprinzipien
Zur Stromerfassung sind zwei grundlegende Anordnungen möglich. Entweder misst man
das magnetische Feld um einen stromführenden Leiter, oder es wird ein kleiner
Widerstand in den Strompfad eingesetzt, über dem der Spannungsabfall gemessen wird.
Der erste Ansatz erfordert kein Bauelement im Strompfad und vermeidet somit einen
Leistungsverlust, ist aber relativ teuer und gleichzeitig ungenau aufgrund von
Nichtlinearität und Fehlern durch Temperaturabhängigkeit. Weiterhin ist das Erfassen
von magnetischen Feldern üblicherweise solchen Systemen vorbehalten, in denen die
höheren Kosten zur Vermeidung von Einfügungsverlusten angezeigt sind.
Dieser Artikel konzentriert sich auf widerstandsbezogene Strommesstechniken.
Aufgrund zahlreich verfügbarer Halbleiterlösungen für diese Architektur ist genaues und
preisgünstiges Messen von Gleichströmen in vielen Anwendungen möglich. Mit
Beispielen, die den Schaltungsentwickler bei der Auswahl einer optimalen Lösung für die
jeweilige Anwendung unterstützen, wird sowohl auf die Messung auf der
massebezogenen als auch auf der versorgungsbezogenen Seite eingegangen.
Strommessung mit Widerstand
Der Einsatz eines sehr niederohmigen Fühlwiderstands in Serie zu einem Strompfad
erzeugt einen kleinen Spannungsabfall, der verstärkt werden kann und dann als dem
Strom proportionales Ausgangssignal zur Verfügung steht. Abhängig von der
Entwicklungsumgebung und der Anordnung des Widerstands kann diese Technik den
Entwickler bei der Auswahl des Messverstärkers vor einige Herausforderungen stellen.
Falls der Messwiderstand beispielsweise zwischen der Last und Masse eingefügt wird,
kann der entstehende Spannungsabfall recht einfach mit einem Operationsverstärker
verstärkt werden (Bild 1a). Diese massebezogene Auswertemethode unterscheidet sich
von der versorgungsbezogenen Messung, in der ein Messwiderstand zwischen die
Versorgungsspannung und die Last eingefügt wird (Bild 1b).
Bild 1. Hier sind die beiden grundlegenden Möglichkeiten der Strommessung über
Widerstände gezeigt: entweder misst man auf der Versorgungsseite (a) oder auf der
Masseseite (b).
Der Wert des Fühlwiderstands sollte so klein wir nur irgend möglich sein, um
Leistungsverluste gering zu halten, aber auch nicht zu niedrig, um dem Messverstärker
und somit der gesamten Messanordnung ein noch auswertbares Signal zur Verfügung
zu stellen – und das auch mit der gewünschten Genauigkeit. Das differenziell über dem
Fühlwiderstand abgegriffene Signal sitzt auf einer Gleichtaktspannung, die bei
massebezogener Messung nahe der Masse selbst, aber bei versorgungsbezogener
Messung nahe der Versorgungsspannung ist. Der Gleichtaktbereich am Eingang des
Messverstärkers sollte daher die Masse als auch die Versorgungsspannung selbst
einschließen.
Da die Gleichtaktspannung bei massebezogener Messung in der Nähe der Masse liegt,
kann die Stromfühlspannung mit einem preisgünstigen Operationsverstärker mit
niedriger Versorgungsspannung ausgewertet werden. Daher ist die massebezogene
Messung einfach und verursacht geringe Kosten; jedoch gibt es eine Vielzahl von
Anwendungen, bei denen eine durch Messwiderstände hervorgerufene Störgröße im
Massepfad nicht zulässig ist. Hohe Lastströme können dieses Problem weiter
erschweren, wenn beispielsweise ein Schaltungsteil, dessen Massepotenzial durch die
Messung verschoben wird, mit anderen Schaltungsteilen kommunizieren muss, deren
Massepotenzial hingegen ungeändert bleibt.
Zur Verdeutlichung des Problems sei ein Batterielader angenommen, der mit
massebezogener Strommessung ausgestattet ist (Bild 2), während der Ausgang eines
Schaltnetzteils mit einer intelligenten Batterie verbunden ist, die neben der
Spannungsversorgung über zwei zusätzliche Anschlüsse verfügt. Über eine Leitung
werden üblicherweise batteriespezifische Informationen wie Ladezustand, Chemie und
andere Parameter digital übertragen, während der andere Anschluss
Temperaturmessungen vorbehalten und aus Sicherheitsgründen getrennt von positivem
und negativem Anschluss herausgeführt ist. Um die Batterietemperatur zu ermitteln,
enthält die Batterie meist einen Thermistor, der einen temperaturproportionalen Ausgang
gegen den negativen Anschluss der Batterie aufweist.
Bild 2. Diese intelligente Batterie arbeitet mit Strommessung auf der Masseseite.
Für die massebezogene Messung wird der Fühlwiderstand eingefügt wie unten in Bild 2
gezeigt. Die durch den Batteriestrom hervorgerufene Messspannung wird verstärkt und
dem Controller zugeführt; dieser wiederum übernimmt die Steuerung der
Leistungsverteilung. Da die Messspannung mit dem Batteriestrom variiert, wird die
Spannung am negativen Anschluss der Batterie in gleicher Weise beeinflusst – aber
auch der Temperaturausgang, der aufgrund des negativen Anschlusses als Referenz
ungenau wird.
Ein anderer gravierender Nachteil der massebezogenen Messung sind nicht entdeckte
Kurzschlussströme, die bei versehentlichem Kurzschluss zwischen der Batterie und
Masse auftreten können. In der in Bild 2 gezeigten Schaltung kann ein Kurzschluss
zwischen positiver Versorgung und Masse genug Strom ziehen, um den MOSFETSchalter S1 zu zerstören. Trotz solcher Widrigkeiten sind der einfache Aufbau und die
niedrigen Kosten ausschlaggebende Gründe, die massebezogene Messung in solchen
Anwendungen einzusetzen, wo Kurzschlussschutz nicht nötig ist und Störsignale auf der
Masseleitung zulässig sind.
Weshalb versorgungsbezogene Messung?
Die versorgungsbezogene Strommessung (Bild 1b) erreicht man durch Einfügen des
Fühlwiderstandes auf der Versorgungsseite; also zwischen der Versorgungsspannung
und der Last. Auf diese Weise werden nicht nur die Störsignale auf der Masse beseitigt,
sondern es werden auch versehentliche Kurzschlüsse der Batterie zur Systemmasse
erkannt.
Allerdings erfordert die versorgungsbezogene Messung einen Verstärker, der eine
Gleichtaktspannung nahe der Versorgungsspannung verarbeiten kann. Diese
Gleichtaktspannung wiederum kann einerseits sehr niedrig sein, beispielsweise wenn
Logikspannungen im Bereich von 1.5V überwacht werden müssen; andererseits auch
100V und mehr betragen, wenn man Anwendungen im Industrie-, Automobil- oder
Telekombereich betrachtet. Als Beispiele seien die typischen Batteriespannungen von
Notebookcomputern (17 bis 20V), Fahrzeugen (12V, 24V oder 48V) und Telekomsystem
(48V) genannt; andere Hochvoltanwendungen sind Motorsteuerungen, Stromerfassung
bei Avalanche-Photodioden und PIN-Dioden, oder der Betrieb von hellen Leuchtdioden
in Displays oder allgemeinen Beleuchtungsanwendungen. Kurzum: eine wichtige zu
berücksichtigende Größe bei der Auswahl des Verstärkers ist dessen Fähigkeit, hohe
Gleichtaktspannungen zu verarbeiten.
Traditionelle Verstärker für die versorgungsbezogene Messung
Für eine typische Anwendung, die an einer 5V-Versorgung arbeitet, kann als
Messverstärker ein einfacher Instrumentationsverstärker (IA) eingesetzt werden.
Allerdings kann in Abhängigkeit von dessen Aufbau beispielsweise der Gleichtaktbereich
am Eingang begrenzt sein; außerdem sind IAs meist teuer; und bei höheren
Gleichtaktspannungen arbeiten Niedervolt-IAs sowieso nicht. Der für
versorgungsbezogene Messung an hoher Spannung benötigte Verstärker erscheint also
als Herausforderung für die Systementwicklung!
Eine scheinbar unkomplizierte Lösung des Problems ist das Herunterteilen der
Gleichtaktspannung mit einfachen Spannungsteilern auf einen für den Verstärker
geeigneten Eingangsbereich. Dieser Ansatz kostet jedoch nicht nur Platz und Geld,
sondern führt auch zu ungenauen Ergebnissen. Am Beispiel einer Spannung von
100mV, die über dem Fühlwiderstand erzeugt wird und gleichzeitig auf einer
Gleichtaktspannung von 10V sitzt, soll dies verdeutlicht werden. Angenommen, die in
diesem Fall gewünschte Korrespondenzspannung am Verstärkerausgang soll 2.5V
betragen bei einer Genauigkeit von 1%.
Die Gleichtaktspannung von 10V wird nun um einen Faktor von 10 mit einfachem
Widerstandteiler verkleinert wie in Bild 3 gezeigt. Der Verstärker A1 ist als
Differenzverstärker ausgeführt und hat keinerlei Probleme mit der Gleichtaktspannung
von nun nur noch 1V. Allerdings wurde die Fühlspannung von 100mV ebenfalls um
Faktor 10 heruntergeteilt und liegt nun mit nur 10mV an den Eingängen des
Differenzverstärkers. Um nach wie vor die gewünschte Ausgangsspannung von 2.5V zu
erhalten, ist ein zweiter Verstärker nötig, der mit einem Faktor von 250 beschaltet ist.
Bild 3. Hier ist die traditionelle Strommessung auf der Versorgungsseite dargestellt.
Die Offsetspannung des Eingangs von A1 erscheint nun ohne Verstärkung am Ausgang
von A1, während die Offsetspannung am Eingang von A2 mit einem Faktor von 250
verstärkt wird. Da diese Offsetspannungen unkorreliert sind, können sie am Eingang von
A2 als quadratisches Mittel (RSS) zusammengefasst werden, um die entsprechende
Offsetspannung zu erhalten. Bei einer angenommenen Offsetspannung von 1mV für
jeden der beiden Verstärker ergibt sich der entsprechende Offset zu:
(VOS-EQ) 2 = (VOS_A1)2 + (VOS_A2)2
Hierbei sind VOS_A1 und VOS_A2 die Offsetspannungen jeweils am Eingang von A1 und A2.
(VOS-EQ) =
(1mV) 2 + (1mV)
2
= 1.4mV.
Auf diese Weise entsteht in der beschriebenen Konfiguration eine Fehlerspannung von
250*1.4mV oder 350mV am Ausgang von A2. Die Offsetspannungen der Verstärker
allein bewirken also einen Systemfehler von 14%!
Effekte nicht abgeglichener Widerstände beim
Gleichtaktunterdrückungsverhältnis
Die zweite Hauptquelle von Fehlern rührt von den Toleranzen der Spannungsteiler an
A1 her. Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von A1 hängt stark vom Verhältnis der
Widerstandsteiler R2/R1 und R4/R3 ab, die letztendlich die Verstärkung bestimmen.
Selbst eine Differenz von nur 1% in den Widerstandsverhältnissen in den beiden Pfaden
erzeugt eine Ausgangsgleichtaktverstärkung von 90 µV/V. Werden Widerstände mit
einer Toleranz von 1% verwendet, können die beiden Pfade um bis zu +/-2%
voneinander abweichen, was unter ungünstigsten Bedingungen zu einem
Gleichtaktspannungsfehler von 3.6mV/V führt. Eine Veränderung des
Eingangsgleichtaktes von 10V kann daher zu einer Fehlerspannung von bis zu 36mV
am Ausgang von A1 führen (bei einer Abweichung von nur 1% in den Widerstandpfaden
beträgt der Fehler 0.9mV). Diese 36mV sind nicht akzeptierbar, da A2 bei einer
Verstärkung von 250 in die Sättigung gehen würde! Selbst bei einer Abweichung von nur
1% in den Widerstandspfaden wird ein verstärkter Fehler von 0.9mV*250, also 225mV
erzeugt.
Der Gesamtfehler
Der Gesamtfehler ist das quadratische Mittel von Offsetspannung von A1,
Offsetspannung von A2 und der Fehlerspannung aufgrund der Widerstandstoleranzen.
Wie bereits erläutert, können eine Abweichung von 1% in den Widerständen verbunden
mit einer Gleichtaktveränderung von 10V im schlechtesten Fall schon zu einem Fehler
von 36mV führen, der A2 in die Sättigung gehen lässt. Wird von nur 1%
Widerstandstoleranz ausgegangen, landet man bei einem realistischen Ausgangsfehler
von 0.9mV. Daher errechnet sich das quadratische Mittel der Eingangsfehlerspannung
zu:
(VTOTAL_OS) 2 = (VOS_A1)2 + (VOS_A2)2 + (VOS_MISMATCH)2.
Hierbei sind VOS_A1 und VOS_A2 die Offsetspannungen wie oben und VOS_MISMATCH ist der
Eingangsfehler aufgrund der Widerstandstoleranzen:
VTOTAL_OS = (1mV) 2 + (1mV)
= 1.67mV.
2
+ (0.9mV)
2
Selbst bei Vernachlässigung von Temperatureffekten beträgt der Gesamtfehler aus
Offsetspannungen und Widerstandsvariation 1.67mV*250=417.5mV, was 16.7%
bezogen auf den Vollausschlag von 2.5V ist. Oder, anders ausgedrückt, die
Fehlerspannung von 417.5mV erscheint wie ein Offsetfehler am Eingang in Höhe von
417.5mV/25=16.7mV, was natürlich nicht vertretbar ist.
Der Gesamtfehler kann verringert werden, indem genauere Widerstände mit 0.1%
Toleranz oder Verstärker mit deutlich weniger Offset-Spannung eingesetzt werden –
oder natürlich beides. Allerdings bedeutet dies auch noch höhere Kosten für ein System,
das bereits eine Vielzahl von Komponenten zur Stromerfassung aufweist. Außerdem
führt man mit den Widerstandsteilern R4/R2 und R2/R1 einen Pfad nach Masse ein, der
auch bei nicht vorhandener bzw. abgeschalteter Last einen Strom nach Masse erlaubt.
Die niedrige Gleichtaktimpedanz nach Masse kann in batteriebetriebenen Geräten
kritisch sein, da der Leckstrom die Batterie zusätzlich und unerwünscht entlädt.
Zweckbestimmte Strommessverstärker für versorgungsbezogene Messung
In Summe ergibt sich die Forderung nach einem Baustein, der nicht nur den Strom bei
hoher Gleichtaktspannung erfasst, sondern auch gute Gleichtaktunterdrückung und eine
niedrige Eingangs-Offsetspannung aufweist. Die grundlegende
Strommessverstärkerschaltung für versorgungsbezogene Messung aus Bild 4 ist
üblicherweise als integrierte Schaltung in kleinen Gehäusen verfügbar, um
Platinenfläche zu sparen. Die Bausteinfamilie MAX4080/MAX4081 sind beispielsweise
in einem Hochvolt-Prozess gefertigt und erlauben die Handhabung eines
Gleichtaktbereiches bis zu 80V.
Bild 4. Dieses Blockschaltbild eines Strommessverstärkers für versorgungsseitige
Messung zeigt die grundlegenden Schaltungsblöcke.
Der Stromfluss durch den Fühlwiderstand in Bild 4 erzeugt eine kleine
Differenzspannung, die über den Verstärkungswiderstand RG1 eingeprägt wird. Dieser
zur Differenzspannung proportionale Strom wird gespiegelt und in einem
massebezogenen Ausgangsstrom abgebildet. Auf diese Weise wird die Verlagerung des
Signals von der Versorgungsseite in eine Bezugsgröße gegen Masse erreicht. Der
Ausgangsstrom kann einfach mit einem Widerstand oder einem Pufferverstärker in eine
Spannung gewandelt werden.
Die Strommessverstärker für versorgungsbezogene Messung von Maxim erfüllen
sämtliche Anforderungen: die Bausteine haben einen hohen GleichtaktEingangswiderstand, geringe Offsetspannungen, sind mit weniger als 1% Fehler sehr
genau spezifiziert und die Gleichtaktunterdrückung beträgt mindestens 100dB. Das
Gesamtergebnis sind kostengünstige Lösungen für die Herausforderungen beim
Messen eines Stromes auf der Versorgungsseite. Zusätzlich stehen mit kleinen
Gehäusen wie SC70 (2.2mm x 2.4mm), SOT-23 (3mm x 3mm) und Micro Chip Scale
Packages (1mm x 1.5mm) auch sehr platzsparende Messverstärker zur Verfügung.
Diese Verstärker für versorgungsbezogene Messung sind praktische und preisgünstige
Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen; und jeder Messverstärker ist für einen
bestimmten Typ von Anwendung ausgelegt. So sind MAX4372, MAX9928/MAX9929
und MAX9938 optimiert für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten, während
MAX9937 und MAX4080/MAX4081 für den Einsatz in industriellen Anwendungen
empfohlen sind. MAX4069 und MAX9923 sind eine gute Wahl, sobald ein sehr niedriger
Offsetstrom notwendig wird – kurzum: alle genannten Bausteine vermeiden eine
massebezogene Strommessung und umgehen damit auftretende Störsignale auf dem
Massepotenzial oder den Verlust der Kurzschlusserkennung.
Über den Autor
Arpit Mehta ist als Applikationsingenieur in der Multimedia Business Unit bei Maxim
Integrated Products in Sunnyvale, Kalifornien, beschäftigt. Sein Aufgabenbereich
umfasst technische Problemlösungen im Bereich von Operationsverstärkern,
Komparatoren und Strommessverstärkern. Arpit hält ein Master Degree in Elektrotechnik
der San Jose State University, San Jose, Kalifornien.
Weiterführende Informationen:
http://www.maxim-ic.com/products/amp_comp/current_sense/