Einführung

Ganz gleich, ob Sie Strom in einem industriellen 3-Phasen-Servomotorsystem, einem Batteriemanagementsystem für ein Elektrofahrzeug oder einem Photovoltaik-Inverter erfassen, es ist oft notwendig, eine Art Sicherheitsisolierungsschema einzubinden. Sicherheitsbezogene Normen definieren die spezifischen Isolierungsanforderungen für die Endger?te in Verbindung mit dem jeweiligen Design. Verschiedene Faktoren spielen eine Rolle bei der Bestimmung, welcher Grad der Sicherheitsisolierung (Basis-, Erg?nzungs- oder verst?rkte Isolierung) erforderlich ist, je nach Art der Ausrüstung, den beteiligten Spannungspegeln und der Umgebung, in der die Ausrüstung installiert werden soll.

Texas Instruments bietet eine Vielzahl von isolierten Strom-Shunt-Verst?rkern für die bereits erw?hnten Anwendungen zur Spannungs- und Strom-Shunt-Sensorik an, die entweder die grundlegenden Anforderungen oder verst?rkte Isolierungsanforderungen erfüllen. Für Anwendungen, die eine verst?rkte Isolierung erfordern, ist ein solcher Baustein der AMC1301. Der Ausgang des AMC1301 ist ein vollst?ndig differenzielles Signal, das um eine Gleichtaktspannung von 1,44 V zentriert ist und direkt an einen eigenst?ndigen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) wie in Abbildung 15 gezeigt, oder an den auf der Platine integrierten ADC der Mikrocontroller-Bausteinfamilien MSP430 und C2000 gespeist werden kann.

Integrierte ADCs

Sowohl die Prozessorfamilien MSP430 als auch C2000 verfügen über integrierte A/D-Wandler mit unsymmetrischem Eingang, daher stellt sich die Frage: Wie bekomme ich dieses differenzielle Signal in meinen unsymmetrischen Datenwandler?

Die einfachste M?glichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, nur einen Ausgang des AMC1301 zu verwenden und den zweiten Ausgang potenzialfrei zu lassen. Der Nachteil dieses Designs ist, dass dem Datenwandler nur die H?lfte der Ausgangsspannungshub zur Verfügung steht, was den Dynamikbereich der Messung verringert. Der analoge Eingangsbereich des AMC1301 betr?gt ±250 mV. Mit einer festen Verst?rkung von 8,2 sind die VOUTN- und VOUTP-Spannungen ±1,025 V zentriert um den 1,44 V-Gleichtaktausgang, wie in Abbildung 16 dargestellt. Die Ausgangsspannung betr?gt differentiell ±2,05 V.

Durch das Hinzufügen einer differenziellen zu einer unsymmetrischen Verst?rkerausgangsstufe, wie in Abbildung 17 gezeigt, kann der gesamte Ausgangsbereich des AMC1301 an den ADC bereitgestellt werden.

Angenommen, an VIN wird ein Vollausschlag-Sinussignal von ±250 mV angelegt. Die interne Verst?rkung des AMC1301 ergibt 2,05 Vpk-pk-Ausg?nge an den Punkten VOUTP und VOUTN, die um 180 Grad phasenverschoben sind. Die Differenz zwischen diesen Signalen, VODIF, betr?gt 4,1 Vpk-pk. Bei R1 = R4 und R2 = R3 zeigt Gleichung 8 die übertragungsfunktion der Ausgangsstufe an.

Wenn die Widerst?nde mit dem gleichen Wert für R1 bis R4 in Gleichung 8 und VCM auf 2,5 V eingestellt sind, verringert sich Gleichung 9 auf:

Die Kurven in Abbildung 18 zeigen die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen des AMC1301 sowie die Ausgangsspannung der endgültigen differenziellen zu unsymmetrischen Ausgangsstufe. Beachten Sie, dass die Differenzspannung von ±2,05 V in ein unsymmetrisches Signal von 0,5 bis 4,5 V umgesetzt wird.

Je nach Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers kann eine Verst?rkung oder D?mpfung in die differenzielle zu unsymmetrische Stufe integriert werden, um den Ausgangsspannungshub einzustellen. Die Ausgangsgleichtaktspannung kann auch an die Eingangsanforderungen des A/D-Wandlers angepasst werden.

Designbeispiel

Die ADC12 auf den MSP430-Bausteinen haben einen Eingangsspannungsbereich von 0–2,5 V, wenn die interne Spannungsreferenz verwendet wird. Mit dem VOUTP von AMC1301 kann der ADC12 ein Eingangssignal von 0,415 V bis 2,465 V liefern, das weit innerhalb des Eingangsbereichs des Wandlers liegt, w?hrend nur die H?lfte des Eingangsbereichs des AMC1301 verwendet wird. Wie Abbildung 19 zeigt, kann mit einer differenziellen zu einer unsymmetrischen Verst?rkerkonfiguration mit einer Verst?rkung von 0,5 und einer Gleichtaktspannung von 1,25 V der gesamte Spannungsbereich des AMC1301 auf den ADC12 angewendet werden.

Empfehlungen für alternative Bausteine

Die AMC1100 oder AMC1200 bieten eine Basisisolierung mit ?hnlicher Leistung wie die AMC1301 zu einem niedrigeren Preis. Der TLV170 bietet diese Option für Anwendungen, die einen bipolaren Ausgang ben?tigen.

Fazit

Es ist zwar m?glich, einen unsymmetrischen A/D-Wandler mit einem einzelnen Ausgang des AMC1301 anzusteuern, durch Hinzufügen eines Differenzials zur unsymmetrischen Operationsverst?rkerstufe am Ausgang wird jedoch sichergestellt, dass die Zielanwendung den gr??tm?glichen Dynamikbereich hat.

Zugeh?rige Dokumentation

1. Driftarme Low-Side-Strommessung für Dreiphasensysteme
2. Pr?zise Strommessung an Hochspannungs-Stromschienen