Tipps für Design und Implementierung
Stromüberwachung mit integrierten bidirektionalen SVMs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Tipps zum Platinenlayout und Überlegungen zum Stromshunt
Parasitärer Widerstand und parasitäre Induktivität sind ein Problem bei der Implementierung von Strommessschaltungen. Außerdem können überschüssiges Lötzinn und parasitäre Leiterbahnwiderstände zu Messfehlern führen. Häufig werden vierpolige Strommesswiderstände verwendet. Wenn ein Widerstand mit vier Anschlüssen nicht in Frage kommt, sollte Kelvin-Verfahren zum Leiterplattenlayout herangezogen werden (Bild 4).
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Wenn sich die Kelvin-Messbahnen so nahe wie möglich an den Lötkontaktpunkten des Strommesswiderstands befinden, minimiert das parasitäre Widerstände. Ein größerer Abstand der Kelvin-Messbahnen führt zu einem Messfehler, der durch den zusätzlichen Widerstand der Bahnen verursacht wird.
Die Auswahl des Messwiderstandes ist ein wichtiger Aspekt bei der Minimierung der parasitären Induktivität. Die Bauelementeinduktivitäten sollten minimiert werden, da der Spannungsfehler proportional zum Laststrom ist. Im Allgemeinen haben drahtgewickelte Widerstände die höchste Induktivität und Standard-Metallfolienbauteile mittlere Induktivitäten. Für Strommessanwendungen werden im Allgemeinen niederinduktive Metallfolienwiderstände empfohlen.
Der Wert des Shunt-Widerstands ist ein Kompromiss zwischen Dynamikbereich und Verlustleistung. Für die Messung hoher Ströme wird die Verwendung eines Shunts mit niedrigem Wert empfohlen, um die Wärmeabgabe (I²R) zu minimieren. Bei der Messung von niedrigen Strömen ist die Verwendung eines höheren Widerstandswertes möglich, um die Auswirkungen der Offsetspannung auf den Messschaltkreis zu minimieren.
Die meisten SMVs nutzen externe Shunts zur Strommessung, aber es gibt auch einige SMVs, die interne Stromshunts verwenden. Integrierte Shunts können zwar zu kompakteren Konstruktionen mit weniger Bauteilen führen, bringen aber auch einige Nachteile mit sich, wie z. B. eine geringere Flexibilität, da der Wert des Shunts vorgegeben ist, einen höheren Ruhestrom im Vergleich zu SMVs mit externem Shunt und eine Begrenzung der messbaren Stromstärke durch die Möglichkeiten des internen Shunts.
Präzise bidirektionale Hochspannungs-SMVs
Der TSC2011IST von STMicroelectronics ermöglicht es Entwicklern, die Verlustleistung zu minimieren, indem sie seine Präzision nutzen, um niederohmige externe Stromshunts einsetzen zu können (Bild 5). Dieser bidirektionale SMV ist für präzise Strommessungen in Anwendungen wie Datenerfassung, Motorsteuerung, Solenoidsteuerung, Instrumentierung, Prüf- und Messtechnik sowie Prozesssteuerung ausgelegt.
Der TSC2011IST bietet eine Verstärkung von 60 Volt/Volt (V/V), einen integrierten EMI-Filter und eine ESD-Toleranz von 2 kV (Human Body Model) (gemäß JEDEC-Standard JESD22-A114F). Der TSC2011 kann einen Spannungsabfall von nur 10 Millivolt (mV) bei vollem Messbereich erkennen und erlaubt so konsistente Messungen. Sein Verstärkungsbandbreitenprodukt von 750 Kilohertz (kHz) und seine Anstiegsrate von 7,0 Volt pro Mikrosekunde (V/µs) gewährleisten eine hohe Genauigkeit und eine schnelle Reaktion.
Entwicklern steht das Evaluierungsboard STEVAL-AETKT1V2 für einen schnellen Einstieg in die Verwendungsweise des TSC2011IST zur Verfügung (Bild 6). Er kann Strom über einen weiten Bereich von Gleichtaktspannungen von -20 bis +70 Volt messen. Der TSC2011IST verfügt über folgende Merkmale:
Verstärkungsfehler: max. 0,3 %
Offsetdrift: max. 5 μV/°C
Verstärkungsdrift: max. 10 Teile pro Million (ppm)/°C
Ruhestrom: 20 Mikroampere (µA) im Abschaltmodus
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