Neue Perspektiven für das Systemdesign
Integrierte Stromsensoren spielen ihre Vorteile aus
Vier Gründe, warum integrierte Stromsensoren (ICS) die ideale Lösung darstellen, wenn genaue Steuerungsmöglichkeit, Systemschutz und Effizienz gefragt sind.
Die Strommessung ist eine entscheidende Funktion in zahlreichen elektronischen Geräten und Systemen, darunter Netzteile, Batteriemanagementsysteme (BMS), elektrische Antriebe und Netze für erneuerbare Energien. Damit diese sicher und effizient arbeiten, ist eine genaue und zuverlässige Strommessung unerlässlich.
Allerdings ergeben sich bei der Strommessung einige Herausforderungen, weil die Leistungsfähigkeit der Geräte zunimmt und das Ziel immer darin besteht, mit weniger Aufwand mehr zu erreichen – so auch minimalen Platzbedarf auf der Leiterplatte. In diesem Umfeld von Platzbeschränkungen und hoher Leistungsdichte spielen integrierte Stromsensoren (ICS, Integrated Current Sensors) eine wichtige Rolle.
Jobangebote+ passend zum Thema
Was ist eigentlich ein integrierter Stromsensor?
ICS sind Stromsensoren auf Hall-Effekt-Basis, die in einem einzigen Gehäuse den Stromleiter, die Sensorelemente, die Signalaufbereitung, einige spezielle Funktionen wie etwa die Fehlererkennung enthalten und dabei die erforderliche Isolierung gewährleisten. Sie eignen sich für eine Reihe von Anwendungen in den Bereichen Automotive, Industrie oder Gebäudeautomation.
Hall-Effekt-Sensoren haben die Eigenschaft, ein strominduziertes Magnetfeld berührungslos zu messen. Die Hall-Zelle ist ein Sensorelement, das eine Änderung des Magnetfelds in eine Änderung seines Widerstands umwandelt. Wenn ein konstanter Strom durch die Hall-Zelle fließt, gibt sie eine zum Magnetfeld proportionale Spannungsänderung aus.
LEM ist seit 50 Jahren im Bereich der elektrischen Messtechnik aktiv. Um den sich ändernden Bedürfnissen der Kunden, die in verschiedenen Branchen tätig sind, gerecht zu werden, hat sich das Unternehmen dazu entschlossen, in seine eigene ICS-Entwicklung zu investieren, um künftig eine komplette ICS-Serie bereitstellen zu können.
Vier wesentliche Vorteile verdeutlichen, warum LEM der Meinung ist, dass integrierte Stromsensoren eine gute Investition sind.
Aufbau ohne Kern
Herkömmliche Hall-Effekt-Stromsensoren verwenden einen Ferritkern, der um den Stromleiter und die Sensorelemente angeordnet ist, um so das Magnetfeld zu konzentrieren. Dieser Kern bietet auch Schutz vor unerwünschten externen Magnetfeldern und Rauschen. Bei der Differenzmessung wird auf diesen Ferritkern verzichtet, indem zwei Sensorelemente (Hall-Zellen) verwendet werden, die beide das zu messende Magnetfeld detektieren – eines mit einem positiven Faktor, das andere mit einem negativen. Die Differenz der beiden Felder ermöglicht das Eliminieren zusätzlicher unerwünschter Magnetfelder.
Integrierte Stromsensoren nutzen die Vorteile der Differenzmessung, um komplett auf einen Ferritkern zu verzichten. Dies bietet bei Embedded-Anwendungen mehrere Vorteile. So reduzieren sich die Kosten des Geräts; die Leistungsdichte auf der Sensorseite wird mechanisch erhöht – bis zu 75 A bei 800-V-Anwendungen für ICS-Produkte von LEM; und die Messung wird nicht durch magnetische Hystereseverluste beeinträchtigt (wenn sich durch ein externes Magnetfeld die atomaren Dipole daran ausrichten). Ferner werden Frequenz und Bandbreite nicht durch die inhärente Sättigung des magnetischen Kerns begrenzt.
Integrierte Isolierung
Einige Systeme benötigen eine spezielle Isolierung zum Schutz des Endnutzers, d. h. die Benutzerschnittstelle muss physisch von hohen Spannungen getrennt sein und darf nicht denselben Spannungsreferenzpegel haben. Ein ICS integriert die Isolationsfunktion innerhalb (galvanische Isolation) und außerhalb (Luft- und Kriechstrecke) des Geräts, d. h. es gibt keine physikalische Verbindung zwischen dem Primärleiter, und dem Sekundärkreis mit dem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) und den Sekundärpins. Diese beiden Seiten kommunizieren nur über das Ma- gnetfeld, das durch den Primärstrom erzeugt wird.
Der ASIC im ICS wird im CMOS-Halbleiterfertigungsverfahren hergestellt, das es ermöglicht, bestimmte Funktionen in das Bauteil zu integrieren, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. So werden alle analogen und digitalen Elemente, die zum Erfassen, Verstärken und Verarbeiten des proportionalen Spannungssignals erforderlich sind, auf einem einzigen Chip mit Halbleitermaterialien hergestellt, was auch einen geringen Eigenverbrauch und somit eine geringe Verlustleistung gewährleistet.
Auch die Überstromerkennung (OCD, Over-Current Detection) ist ein wichtiger Faktor. Bei der internen OCD wird beim Überschreiten eines Schwellenwerts durch den Strom intern ein Signal ausgelöst, das an einem speziellen Fehlerpin ausgegeben wird. Dadurch kann der Mikrocontroller der Anwendung die Alarminformationen mit minimaler Verzögerung empfangen. Andernfalls müsste die Auslösung intern und auf der Grundlage des vom Sensor gesendeten Stroms durchgeführt werden, was viel länger dauern würde.
Kompensation und zusätzliche integrierte Funktionen
Bezüglich der Stress- und Temperaturkompensation kann eine mechanische Belastung des ASIC-Chips durch das Gehäuse zu einer Empfindlichkeitsdrift führen – dasselbe kann bei Temperaturschwankungen von -40 bis +125 °C auftreten. Interne Sensoren im Chip des ASIC kompensieren diese Drift, um eine lineare und genaue Sensitivität über einen großen Bereich verschiedenster Bedingungen zu gewährleisten. Bei einem diskreten Design schwankt die Temperatur des Shunts stark mit den Widerstandsverlusten, was einen zusätzlichen Entwicklungsschritt im Mikrocontroller erfordert, um dies exakt zu kompensieren. Im Gegensatz dazu stellt eine ICS-Anwendung eine Plug-and-play-Lösung dar.
Traditionell ist der Spannungsausgang immer proportional zum gemessenen Strom – es gibt jedoch zwei mögliche Referenzspannungen. Im ratiometrischen Modus wird Uout als Prozentsatz der Versorgungsspannung Ucc ausgedrückt und erfordert eine stabile Spannungsversorgung. Im festen (nicht-ratiometrischen) Modus wird Uout mit einer externen Referenzspannung Uref verglichen. Das proportionale Signal ist dann Uout minus Uref, aber wenn der zu messende Strom 0 A beträgt, ist Uout = Uref – mit anderen Worten, die Referenzspannung stellt die Ruheausgangsspannung ein, wenn der zu messende Strom gleich Null ist (Nullstrommodus).
LEM hat zwei ICS-Reihen entwickelt: HMSR und GO. HMSR- und GO-SMS-ICS verfügen über interne und externe Überstromerkennung für maximalen Systemschutz und sind auf Wunsch auch mit ratiometrischen und festen Spannungsausgängen erhältlich. Während die HMSR-Serie mit ihrem integrierten Kern zusätzliche Immunität bietet, bietet die GO-Serie die Vorteile von Differenzmessungen, um das gesamte Leistungsspektrum eines Hall-Stromsensors in einem kompakten SMD-SOIC (Small Outline Integrated Circuit) – SOIC8 oder 16 – zu gewährleisten. LEM GO-SMS gewährleistet z. B. eine Basisisolierung bis zu 2088 V und eine verstärkte Isolierung von 1041 V (DC oder Peakspannung) gemäß IEC 62368-1.
Plug-and-play-Design
Integrierte Stromsensoren ermöglichen Entwicklern also, die Strommessfunktion mit einem Plug-and-play-Ansatz zu realisieren und praktisch alle Herausforderungen mit einem einzigen Bauteil zu lösen. Durch die vollständige mechanische Integration und die sehr geringen Leistungsverluste ist der Platzbedarf eines ICS so gering wie möglich, ohne dass thermische Herausforderungen auftreten.
Durch die kontaktlose Messung mit galvanischer Trennung und Standard-Kriech-/Luftstrecken eignen sich ICS für Anwendungen mit hoher Spannung und unterstützen Designs mit verstärkter Isolierung. Kleinere Gehäuse mit geringerer Isolierung und nicht bestückten Funktionen können die Kosten senken, sodass sie dort wettbewerbsfähig sind, wo keine Isolierung erforderlich ist (<60 V (DC)). Durch diese Flexibilität bei der Produktdefinition eignen sich die ICS von LEM für verschiedene Produkte, sei es für kostenoptimierte Anwendungen oder für isolierte High-End-Designs.
Die Leistungsfähigkeit der ICSs wird nicht beeinträchtigt, da die gesamte Signalverarbeitung im Gehäuse mit Halbleiterbauelementen erfolgt. Dies ermöglicht die Integration spezifischer Ad-hoc-Systemschutzmechanismen wie die schnelle Überstromerkennung. Je nach Systemarchitektur und Designentscheidungen kann das zum Strom proportionale Ausgangssignal auf die Versorgungsspannung Ucc oder eine externe Uref bezogen werden.
Integrierte Stromsensoren sind also für eine Vielzahl von Anwendungen von Vorteil, bei denen es auf genaue Steuerungsmöglichkeit, Effizienz und Systemschutz ankommt. Gerade die neuesten ICS von LEM eignen sich für Anwendungen, in denen nur wenig Platz vorhanden und eine hohe Leistungsdichte gefordert ist.
Für die Zukunft verfolgt LEM einen ehrgeizigen Plan, um noch mehr ICS-Produkte zu entwickeln, die den spezifischen Anforderungen seiner Kunden gerecht werden. Der nächste Schritt auf dieser Roadmap wird die Einführung des HMSR DA sein, des ersten ICS mit digitalem Sigma-Delta-Bitstrom-Ausgang.
Der Autor
Charles Flatot-Le Bohec
ist Global Product Manager für E-Mobilität bei LEM. Er kam 2022 zum Unternehmen, nachdem er acht Jahre in der Automobilindustrie bei TOLV (ehemals Phoenix Mobility), BorgWarner und Nissan tätig war.
Lesen Sie mehr zum Thema
