K přesnému měření proudu, ale i výkonů stačí málo. Třeba 1,3 × 1,2 mm

Měření elektrického proudu je téma, které snad vývojáře nikdy neomrzí. Sledovat a následně vyhodnocovat jeho průtoky totiž patří k základním a mnohdy i nepřetržitým úkolům celé řady zapojení. Jde pouze o to, jaké proudy máme zrovna na mysli, jak dalece se ještě můžeme při monitorování vzdálit od reality a co vše k tomu budeme potřebovat.

Důležité je samozřejmě i to, co nás na konci čeká. Jednou si bohatě vystačíme s analogovým výstupem, zatímco jindy již těžíme z číslicové povahy přítomného rozhraní, které nám rovnou zprostředkuje i spoustu dalších užitečných informací – třeba o aktuálním výkonu, energiích, náboji nebo např. teplotě, výchozí proud společně s napětím samozřejmě nevyjímaje. Něco takového drobný SMD odpor pochopitelně neumí, speciální integrovaný obvod o srovnatelných rozměrech, do kterého se dokonce vešel i nedílný, precizní shunt rezistor, však ano. Nebude ale jediný.

Zjednodušte návrh, zlepšete přesnost

Firmu Texas Instruments máme spojenou s opravdu různými aplikacemi, pro které je schopna pokaždé zajistit odpovídající součástkovou základnu. A přesné měření proudu zde nebude žádnou výjimkou. Jasně to dokládají též nové integrované obvody – senzory proudu na různé způsoby, které známý výrobce představil koncem letních prázdnin [1]. Jejich smysl je prostý: návrhy nemusí být zase tak složité a přesnost spíše jen průměrná. Právě naopak.

Mezi novinkami navrženými pro různá souhlasná napětí, stejně jako provozní teploty proto najdeme jak izolovaný proudový snímač s nejnižším driftem vycházející z Hallova jevu a určený pro systémy s vyšším napětím, tak i skupinu precizních monitorovacích obvodů, které pro nejrůznější návrhy bez výchozího požadavku na galvanické oddělení vylučují potřebu externího shunt rezistoru. Odpovídající prvek ve funkci „proudového bočníku“ je totiž jejich nedílnou součástí. Upoutají nejen svými rozměry, ale třeba též dostupnými funkcemi měření.

Obr. 1  Měření proudu již nemusí vnášet zbytečnou chybu ani představovat řadu dalších komplikací. S novinkami od Texasu si na desce volíte mezi Hallovým jevem a integrovanými bočníky [1]

MCS1123: přesně, analogově a s oddělením

Jako první zde v řadách novinek od Texasu máme dle obr. 2 integrované obvody s označením TMCS1123 (Precision Hall-Effect Current Sensor With ±1100V Reinforced Isolation Working Voltage, Overcurrent Detection and Ambient Field Rejection, [2]). Z podstaty věci se bude jednat o galvanicky oddělené, přesné proudové senzory vystavěné na Hallově jevu. S odkazem na původně analogovou povahu všeho okolo nás máme i zde, úměrně vstupnímu proudu, k dispozici výstupní napětí, pro které je příznačná jak vynikající linearita (chyba linearity 0,1 %), tak i nízký drift (po dobu existence nanejvýš 0,5 %) – to vše bez ohledu na konkrétní zvolenou citlivost celé struktury, která může dosahovat 25 mV/A (TMCS1123x1), 50 mV/A, 75 mV/A, 100 mV/A nebo též 150 mV/A (TMCS1123x5).

Obr. 2  Funkční blokový diagram proudových senzorů TMCS1123 s ukázkou možného způsobu využití, včetně odkazu na svižnou detekci nadproudů s odezvou v délce 500 ns [2]

íky precizním obvodům pro zpracování signálu s vlastní kompenzací driftu pak výrobce slibuje maximální celkovou chybu, v čase a navzdory změnám teploty, méně než 1,75 %. Na systémové úrovni přitom nebude zapotřebí jakákoli kalibrace. Pokud se ale přesto rozhodneme pro jednorázové zkalibrování při pokojové teplotě, nemusíme ve výsledku, při zahrnutí celkové životnosti, ale i teplotního driftu, překročit s celkovou chybou v maximu ani jedno procento.

Střídavé, ale i stejnosměrné vstupní proudy zde potečou přes interní vodič generující magnetické pole, které je pak rovnou na čipu měřeno rozdílovými senzory potlačujícími dále rušení způsobené vnějšími rozptylovými poli. Nízký odpor vedení přitom zvyšuje použitelný proudový rozsah až na ±96 A, zatímco se nám dále minimalizuje výkonová ztráta a zjednodušují též i požadavky, pokud jde o ztráty tepelné. Z pohledu galvanického oddělení zde máme konečně definováno izolační napětí 5 000 V_RMS, resp. provozních 1 100 V_DC, společně se vzdušnou či povrchovou vzdáleností min. 8,1 mm. S vynikající odolností vůči přechodovým jevům, resp. potlačením souhlasného rušení, se rovněž pojí integrované stínění. Struktura obvodu TMCS1123 v pouzdrech typu SOIC s deseti vývody o velikosti 10,3 × 10,3 mm pak bude napájena z jednoduchého zdroje 3 až 5,5 V. Signálová šířka pásma zde přitom činí 250 kHz.

INA700: funkce a velikost čipu mluví za vše

Z poněkud jiného soudku bude nyní zcela nepatrný integrovaný obvod INA700 (40 V, 16-Bit, I²C Output Digital Power Monitor in WCSP with 2 mΩ EZShunt™ Technology) coby zástupce jinak o něco početnější rodiny digitálně řešených prvků pro měření výkonu s vlastním shunt rezistorem [3]. Stále se ale jedná o strukturu navrženou speciálně pro účely měření proudu, jež bude dále vybavena 16bitovým analogově-číslicovým převodníkem typu delta–sigma, od kterého se pak může odvíjet vše ostatní. A není toho rozhodně málo. Pro pořádek doplníme, že součástka z obr. 3 měří v plném rozsahu průtok elektrického proudu až do ±15,728 A, zatímco lze dále počítat se souhlasným napěťovým rozsahem -0,3 V až +40 V.

Obr. 3  K principu činnosti nových 16bitových monitorovacích obvodů INA700. U měření výkonu výrobce v tuto chvíli definuje přesnost 0,85 %, pro energii a náboj pak 1,35 %; obojí platí při odběru 5 A [4]

Novinka s funkcí interního monitorování, včetně detekce chyb, vybavená kromě toho vlastním precizním oscilátorem (max. ±0,5 %) zprostředkuje informaci o proudu, napětí na sběrnici, teplotě čipu (v rámci rozsahu teploty přechodu s integrovaným čidlem ±3 °C), výkonu, energii nebo též akumulaci náboje, zatímco všechny potřebné výpočty běží nyní na pozadí. Díky nízkému offsetu (v případě proudu max. ±1,5 mA) a také ujíždění (driftu) chyby zesílení, nanejvýš ±50 ppm/°C, lze prvky INA700 používat i v systémech, které ve výrobě nepodstupují teplotní kalibrace. Součástka zde rovněž nabízí volitelné doby převodu ADC, od 50 μs až do 4,12 ms, stejně jako možnost průměrování vzorků (1× až 1 024×), což u měřených údajů dále pomáhá snižovat šum a umožňuje též optimalizovat okna pro detekci nadproudů.

Celou kombinovanou strukturu INA700 dostaneme v miniaturním provedení pouzder typu PowerWCSP (DSBGA) s osmi vývody, kde rozměry činí úctyhodných 1,319 × 1,239 mm! Součástku s typickou provozní spotřebou 640 μA, a v režimu Shutdown pak maximálně 5 μA, napájíme v rozsahu 2,7 až 5,5 V, přičemž čtyři možné adresy budou definovány prostřednictvím jediného pinu – digitálního vstupu A0, viz také obr. 4 [4]. Co když jsou ale zapotřebí ještě větší rozsahy nebo snad i rozlišení? V Texas Instruments pro takové účely např. počítají s podobnými, ovšem nyní již 20bitovými obvody INA781 s technologií EZShunt™, pro které nově výměnou za plochu o velikosti 6 × 6 mm připadá v úvahu hned ±78,64 A nebo +85 V [5]. V plánu má výrobce ale i další verze.

 Obr. 4  Příklad možného zapracování jinak nepatrného měřicího obvodu INA700 z předchozího obrázku, včetně souvisejícího layoutu na desce plošného spoje [4]

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://news.ti.com/ti-simplifies-current-sensing-with-industrys-most-accurate-hall-effect-sensors-and-integrated-shunt-solutions

[2] Obvody TMCS1123, https://www.ti.com/product/TMCS1123

[3] Digital power monitors with integrated shunt resistor, http://www.ti.com/ezshunt-pr

[4] Obvody INA700, https://www.ti.com/product/INA700

[5] Obvody INA781, https://www.ti.com/product/INA781