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Industrie- und Automobilanwendungen wie On-Board-Ladeger?te, Stringwechselrichter und Motorantriebe erfordern eine isolierte Strommessung, um den Rückkopplungsalgorithmus für den Stromregelkreis anzusteuern und gleichzeitig die digitale Schaltung vor dem Hochspannungsschaltkreis zu schützen, der eine Funktion ausführt.

Aufgrund ihrer hohen Leistung eignen sich isolierte Verst?rker hervorragend zur übertragung von Strommessdaten über die Isolierungsbarriere. Die Auswahl des richtigen isolierten Verst?rkers ist jedoch nicht immer ganz einfach. Bei der Auswahl eines isolierten Verst?rkers sind diverse Aspekte zu berücksichtigen, beispielsweise die Spezifikationen der Isolierung, die Highside-Speisung und der Eingangsspannungsbereich. Dieser Artikel behandelt jedes dieser Entscheidungskriterien im Detail, um Ihnen bei der Auswahl eines isolierten Verst?rkers zu helfen, der für ein bestimmtes System am besten geeignet ist.

Die erste Entscheidung bei der Auswahl eines Bausteins für die isolierte Strommessung besteht darin, den erforderlichen Isolierungsgrad zu ermitteln. Es gibt zwei Stufen der Isolation: die grundlegende und die verst?rkte Isolierung. Die erforderliche Isolationsstufe wird durch die Systemarchitektur und Endger?te-Standards wie IEC 61800 (International Electrotechnical Commission) für Motorantriebe und IEC 60601 für medizinische Ger?te festgelegt.

Hier sind die wichtigsten Spezifikationen , die die Leistung der Isolierungsbarriere quantifizieren:

• Die Arbeitsspannung der Isolierung ist die in der quadratischen Wurzelmittelspannung definierte maximale Spannung, die der isolierte Verst?rker w?hrend seiner gesamten Lebensdauer kontinuierlich verarbeiten kann.
• Die Gleichtakt-Transientenfestigkeit beschreibt die maximale ?nderungsrate der Massepotenzialdifferenz, die der isolierte Verst?rker fehlerfrei überstehen kann.
• Die transiente überspannung der Isolierung ist die Spannung, die in der Spitze-zu-Spitze-Spannung definiert ist, die der isolierte Verst?rker 60 Sekunden lang tolerieren kann.
• Die Bemessungsgr??e der Sto?spannung (Impulsspannung) gem?? IEC 60065 ist die 1,2-/50-μs-Spannungsmagnitude, die der isolierte Verst?rker ohne Ausfall tolerieren kann.

Einige Endger?tehersteller lassen ihre Produkte von Dritten zertifizieren, um sicherzustellen, dass sie die Isolierungsspezifikationen erfüllen. Isolierte Verst?rker werden nicht gem?? diesen Spezifikationen selbst gemessen, da sie Komponenten im Inneren von Endger?ten sind. Für sie gelten die Standards für Endger?te nur indirekt. Stattdessen werden Komponenten anhand von Zertifizierungen auf Bausteinebene, wie z. B. durch das Deutsche Institut für Normung e.V., den (DIN) Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) V 0884-11 und die Underwriters Laboratories (UL) 1577 gemessen. Wie in den IEC-Normen angegeben, erfordern Bausteine, die Anforderungen gem?? den geltenden Normen auf Komponentenebene erfüllen und gleichwertige Anforderungen haben, keine separate Evaluierung. Dies gilt auch für die Normen des Comité International Spécial des Perturbations Radio (CISPR) für elektromagnetische St?rungen (EMI). Siehe [1] zur Leistung der abgestrahlten Emissionen für isolierte Verst?rker von Texas Instruments (TI).

Für eine optimale Leistung werden das Layout und die Anwendungspraktiken, wie im bausteinspezifischen Datenblatt dargestellt, empfohlen. [2] umfasst eine Liste der Zertifizierungen auf Bausteinebene für isolierte Verst?rker von TI.

Die n?chste Entscheidung bei der Auswahl eines isolierten Verst?rkers ist die Frage, wie er auf der Highside der Isolierungsbarriere mit Strom versorgt werden soll.

Denken Sie beim Design dieses Teils der Schaltung daran, dass die Highside-Versorgungsspannung mit der Gleichtakt-Eingangsspannung des gemessenen Stroms potenzialfrei sein muss. Das bedeutet, dass für mehrphasige Strommessungen jede einzelne Phase einen eigenen isolierten Verst?rker mit eigener Highside-Stromversorgung ben?tigt. Ein falsches Design des Spannung führenden Stromversorgungsschaltkreises kann dazu führen, dass die absoluten maximalen analogen Eingangsspannungswerte überschritten werden, was zu dauerhaften Sch?den am Baustein führen kann.

Es gibt drei wichtige Designoptionen für die Stromversorgung der Spannung führenden Seite eines isolierten Verst?rkers.

Hier die erste Designoption: Entwickeln Sie einen diskreten isolierten Transformatorschaltkreis, der die Spannung von der Lowside an die Highside des isolierten Verst?rkers liefern kann. Bei dieser Methode müssen Sie einen isolierten Transformator, einen Transformatortreiber wie den SN6501 von TI und einen Low-Dropout-Regler wie den TLV704 von TI ausw?hlen. Dieser Ansatz ist zwar einfach zu entwickeln, erfordert jedoch eine gro?e Platinenfl?che und etliche verschiedene Komponenten. Abbildung 1 zeigt eine Beispielimplementierung im oberen Teil des Evaluierungsmoduls (EVM) AMC1300.

Die zweite Designoption, dargestellt in Abbildung 2, verwendet die potenzialfreie Highside-Gate-Treiberversorgungsspannung (normalerweise 15 V) und einen Shunt-Regler wie eine Zener-Diode, um die Spannung bis zu einem unteren Wert von 5 V zu regeln. Beispiele für dieses Design sind in den Datenbl?ttern des Bausteins dargestellt. Hier finden Sie beispielsweise den verst?rkten isolierten Verst?rker AMC1300B-Q1. Diese Designoption ist zwar wirtschaftlich und effektiv, aber Layoutbeschr?nkungen und parasit?re Impedanzen zwischen der Gate-Treiber-Versorgungs-Masse-Referenz und der Verst?rker-Masse-Referenz k?nnen zu Fehlern bei der Eingangsspannung und Transientenfehlern führen.

Die dritte und einfachste Designoption, wie in Abbildung 3 gezeigt, verwendet einen Baustein mit einem integrierten DC/DC-Wandler. Isolierte Verst?rker mit integrierten DC/DC-Wandlern wie dem AMC3302 von TI, helfen dabei, die Gr??e und die Komplexit?t der L?sung erheblich zu reduzieren. Sie k?nnen mit diesem Design die Systemkosten senken. Es bietet eine hervorragende Wandlungseffizienz und erm?glicht die flexible Platzierung des Shunt-Widerstands.[4]

Die letzte Entscheidung bei der Auswahl eines Isolierverst?rkers ist die Auswahl des Eingangsspannungsbereichs des Bausteins. Die meisten isolierten Verst?rker, die für die Strommessung optimiert sind, verfügen über Optionen für einen linearen Eingangsspannungsbereich von ±50 mV oder ±250 mV. Die Bestimmung des richtigen Eingangsspannungsbereichs für die Anwendung h?ngt von der Gr??e des zu messenden Stroms und der Gr??e des Shunt-Widerstands ab. Im Allgemeinen ben?tigen Systeme mit hohen Stromst?rken in der Regel einen isolierten Verst?rker mit einem kleineren Eingangsbereich, wie z. B. ±50 mV. Systeme mit relativ geringen Stromst?rken k?nnen von dem etwas gr??eren Eingangsspannungsbereich von ±250 mV profitieren, der ein h?heres Signal-Rausch-Verh?ltnis erm?glicht

Bei der Auswahl des Eingangsspannungsbereichs sind zwei Gleichungen zu beachten: Das Ohmsche Gesetz (siehe Gleichung 1) und die in einem Widerstand verbrauchte Leistung (siehe Gleichung 2):

Diese beiden Gleichungen regeln den Kompromiss zwischen der Maximierung des Vollausschlag-Eingangsbereichs des isolierten Verst?rkers und der Menge der im Shunt-Widerstand verbrauchten Leistung. Gleichung 1 berechnet den Spannungsabfall am Shunt-Widerstand, wenn Werte für Strom und Widerstand eingegeben werden. Versuchen Sie, diesen Spannungsbereich so nah wie m?glich an den vollen Eingangsspannungsbereich des isolierten Verst?rkers anzupassen, da eine Abweichung zwischen den beiden Werten zu einem direkten Verlust bei der Aufl?sung führt.

Gleichung 2 quantifiziert die im Shunt-Widerstand verbrauchte Leistung. Dies ist wichtig, da Shunt-Widerst?nde durch Selbsterw?rmung zu driften beginnen (gem?? ihrer Temperaturdrift-Spezifikation), sobald die über den Widerstand abgegebene Leistung die H?lfte der Nennverlustleistung erreicht, was zu einem Verst?rkungsfehler führt. Um eine überm??ige Shunt-Drift durch Eigenerw?rmung zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Nennverlustleistung des Shunt-Widerstands auf h?chstens ein Achtel der Nennverlustleistung zu begrenzen.

Wenn zum Beispiel ein Nennstrom von 18 A und ein maximaler Strom von 52 A gefordert wird. Mit dem Wissen, dass es zwei Optionen für den linearen Eingangsspannungsbereich (±50 mV und ±250 mV) und den maximalen Strom gibt, es ist m?glich, für beide Optionen ideale Shunt-Widerstandswerte zu berechnen, um den vollen Eingangsbereich zu erreichen:

Ermitteln der n?chstgelegenen Standard-Shunt-Widerstandswerte:

Durch Einstellen dieser Werte an Gleichung 1 kann der resultierende Spannungsabfall am Shunt-Widerstand berechnet werden:

Beachten Sie, dass der Widerstandswert aus der Idealberechnung zum n?chstgelegenen Standardwert leicht angestiegen ist, was zu einem Vollausschlag-Eingangsspannungsbereich führt, der gr??er ist als der lineare Vollausschlag-Eingangsbereich des isolierten Verst?rkers. Das bedeutet, dass bei der vollen Stromst?rke die resultierende Spannungsgr??e nicht mehr im linearen Bereich des Eingangsspannungsbereich des isolierten Verst?rkers liegt. Isolierte Verst?rker verfügen oft über einen zus?tzlichen Eingangsspannungsbereich, der über den linearen Eingangsspannungsbereich hinausgeht, bevor sie anfangen zu klammern. Innerhalb dieses Bereichs – in der Regel bis zu ±280 mV für ±250-mV-Bausteine und ±56 mV für ±50-mV-Bausteine – ist die Genauigkeit des isolierten Verst?rkers nicht im Datenblatt angegeben. Der isolierte Verst?rker gibt jedoch weiterhin eine Spannung mit einer Genauigkeit aus, die dem linearen Bereich ?hnelt. Dies kann für einige Anwendungen akzeptabel sein, wenn die Genauigkeitsanforderung für die maximale Stromst?rke im Vergleich zu den Nennwertmessungen gelockert wird.

Verwenden Sie als N?chstes die Standardwiderstandswerte und die Nennstromst?rken, um die Verlustleistung des Shunt-Widerstands zu berechnen, wobei angenommen wird, dass die Nennleistung des Shunt-Widerstands 3 W betr?gt.

Für die Berechnung des ±50-mV-Bausteins betr?gt die Nennverlustleistung weniger als ein Achtel der Verlustleistung. Dieser Shunt-Widerstand sollte beim Messen des Nennstroms nicht wesentlich durch Eigenerw?rmung driften. Die Berechnung für den ±250 mV-Baustein führt zu einer Verlustleistung, die mehr als die H?lfte der Nennverlustleistung betr?gt, was bedeutet, dass bei der Messung des Nennstrombereichs eine signifikante Temperaturdrift bestehen kann.

Zus?tzliche Ma?nahmen k?nnen ergriffen werden, um die W?rmeableitung im Shunt-Widerstand zu reduzieren. Sie k?nnen z. B. gr??ere Platinenebenen formen oder Kühlk?rper oder Lüfter verwenden. Bei Anwendungen mit sehr hohen Str?men kann der Eingangsbereich maximiert werden, indem ein Operationsverst?rker verwendet wird, um das Eingangssignal so zu verst?rken, dass es dem vollen Eingangsbereich des isolierten Verst?rkers entspricht. Dieses Verfahren wird in [5] verwendet.

Für die meisten Anwendungen, die hohe Nennstromst?rken messen, empfiehlt es sich, einen isolierten Verst?rker wie den AMC1302 oder AMC3302 von TI mit einem kleineren Eingangsspannungsbereich von ±50 mV zu verwenden.

Im letzten Schritt wird best?tigt, dass die Verlustleistung bei maximaler Stromst?rke die Nennverlustleistung des Shunt-Widerstands nicht überschreitet, da eine überschreitung der Nennverlustleistung den Shunt-Widerstand dauerhaft besch?digen k?nnte.

Um Messergebnisse ?hnlich dem Beispiel anzuzeigen, siehe [6].