Energiezähler in Echtzeit
Integrierte Leistungsmessung
Fortsetzung des Artikels von Teil 4
Überlegungen zu Layout und Filterung
Das richtige Layout ist für jede Messtechnikanwendung zur Minimierung von Messfehlern besonders wichtig. Bei der Leistungsüberwachung müssen darüber hinaus die Komponenten in der Nähe der Schaltregler angeordnet werden, wobei die Schaltstörungen die Leistungsmessung beeinträchtigen. Die Einkopplung von Störungen muss insbesondere durch richtiges Verlegen der Leiterbahnen reduziert werden. Wenn Störungen nicht vermeidbar sind, können an den Eingängen der Leistungsmessung Filter angeordnet werden, die Gegentakt- oder Gleichtaktstörungen herausfiltern. Bei Vierleitermessung am Strommesswiderstand müssten beispielsweise die beiden Strommessleitungen gleich lang sein und mit minimalem Abstand parallel zueinander verlegt werden.
Der MAX34407 arbeitet mit High-Side-Messungen, die anfällig für Gleichtaktstörungen sind. Es können zusätzliche Filter erforderlich sein, wenn im System starke Gleichtaktstörungen vorhanden sind. RC-Filter werden mit dem Strommesseingang in Serie gesetzt. Bild 8 zeigt eine Gleichtakt-Filterkonfiguration mit zwei identischen RC-Filtern an jeder Strommessleitung. Dadurch entsteht ein effektiver Tiefpassfilter für Gleichtaktsignale. Da die Filterwiderstände in Serie im Strommessweg liegen, müssen diese Widerstände gut aufeinander abgestimmt sein, um einen Offset bei der Leistungsmessung zu verhindern. Aus diesem Grund sollten die Filterwiderstände maximal 1 % Toleranz besitzen. Darüber hinaus muss der in Serie geschaltete Filterwiderstand deutlich kleiner sein als die Eingangsimpedanz des Energiezählers, um Ladeeffekte zu vermeiden. Die Pole der Filter sind so gewählt, dass sie weit unter der Nyquist-Abtastfrequenz des MAX34407 liegen. Im Folgenden die Gleichung zur Bestimmung der Pole des Gleichtaktfilters:
Typischerweise weist der Eingangsstrom der Netzteile aufgrund des internen Schaltreglers einen Ripple auf. Über die HIGH-Seite des Strommesswiderstands erhält der Energiezähler diese Störungen als Gegentaktstörungen. Gegentaktstörungen können durch entsprechende Gegentaktfilter gedämpft werden, siehe dazu Bild 9. Wie bereits beim Gleichtaktfilter erläutert, müssen die in Serie geschalteten Widerstände gut aufeinander abgestimmt und deutlich höher sein als die Eingangsimpedanz des Energiezählers. Der Pol für den Gegentaktfilter muss außerdem so gewählt werden, dass er geringer ist als die Nyquist-Frequenz des Energiezählers. Die beiden in Serie geschalteten Widerstände und der Kondensator bilden einen Pol für das Gegentaktsignal zwischen den Eingängen des MAX34407 (beispielsweise +IN1/-IN1). Im Folgenden die Gleichung zur Bestimmung des Pols des Gegentaktfilters:
Für externe Verbindungen mit dem Energiezähler muss ein verdrilltes Aderpaar verwendet werden. Das gilt beispielsweise für Anwendungen wie mbed oder Arduino Shields, bei denen die Leistungsmessung nicht auf der Platine durchgeführt wird. Bei einer typischen Konfiguration mit einem verdrillten Aderpaar, das an den Klemmen des Strommesswiderstands angeschlossen ist, reduziert das verdrillte Aderpaar die Rückkopplung zwischen den beiden Strommessadern und damit die eingekoppelten Störungen deutlich. Darüber hinaus bewirkt das verdrillte Aderpaar eine Gegentaktfilterung durch die induktive Kopplung zwischen den Adern. Verdrillte Aderpaare werden insbesondere dann benötigt, wenn die Last an einer entfernten Stelle gemessen wird.
Die Autoren
Alfredo Medina ist als Applikationsingenieur für Maxim Integrated tätig. Seinen Abschluss als M.S. und B.S. in Elektrotechnik machte er an der California Polytechnic State University in San Luis Obispo. Bei Maxim betreut Alfredo Medina ein breites Produktangebot. Sein besonderes Interesse gilt der Leistungselektronik und HF-/Mikrowellenapplikationen.
Mohamed Ismail ist Senior Member of Technical Staff bei Maxim Integrated und verantwortlich für das „Applications Engineer Development Program” zur Gewinnung und Ausbildung von Nachwuchsingenieuren bei Maxim. Seinen Masterabschluss in Elektrotechnik hat er an der Stanford University erworben und lehrte als Stanford Kyoto Teaching Fellow für Elektrotechnik in Kyoto, Japan, bevor er 2013 zu Maxim kam.
- Integrierte Leistungsmessung
- Übertragung an den Host
- Vergleich mit einer konventioneller Messung
- Platinenüberwachung
- Überlegungen zu Layout und Filterung
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