Strommessverstärker für platzbeschränkte Anwendungen

Niemand will sperrige, weniger effiziente Elektronikprodukte. Die Hersteller wollen, dass ihre Entwicklungsteams herausfinden, wie sie Hochleistungskomponenten auf kleinerem Raum unterbringen können, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen. Die Aufgabe besteht also darin, herauszufinden, wie man die Herausforderungen bei der Bereitstellung elektronischer Anwendungen auf begrenztem Raum mit höherer Genauigkeit bewältigen kann. Zu diesem Zweck sind stromerfassende Verstärker für ein effizientes Energiemanagement, einen sicheren Betrieb und eine rauschunempfindliche Motorsteuerung von entscheidender Bedeutung.

Strommessverstärker werden häufig in Anwendungen wie Batteriemanagement, Überstromschutz und Fehlererkennung eingesetzt. Sie messen und verstärken den Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand und spielen damit eine wichtige Rolle beim Schutz von Stromkreisen.

Strommessverstärker, die wegen ihrer geringen Größe und niedrigen Kosten geschätzt werden, sind relativ einfach zu implementieren, aber es gibt Herausforderungen wie Bandbreitenbeschränkungen, die Minimierung von elektrischem Rauschen und Interferenzen sowie eine hohe Gleichtaktspannungsantwort. Die Wahl des richtigen Strommessverstärkers ist also wichtig für den Erfolg der Anwendung.

Um die richtige Lösung zu finden, müssen zunächst die wichtigsten Anwendungsmerkmale ermittelt werden:

• Der zulässige Strombereich und die maximale Eingangsspannung, die vom Gerät toleriert werden können
• Umgebungsbedingungen und passende zuverlässige Leistung für den gewünschten Temperaturbereich
• Verstärkerspezifikationen, die den Designvorgaben entsprechen, einschließlich Gehäusegröße, Bandbreite, Ruhestrom und Genauigkeit
• Ob High-Side- oder Low-Side-Strommessung verwendet werden soll (dies hängt von den Anforderungen an Genauigkeit, Isolierung und einfacher Implementierung ab)

Analog Devices, Inc. (ADI) bietet eine Reihe von Strommessverstärkern an, die für eine breite Palette von Anwendungen entwickelt wurden, die bidirektionale Strommessungen in verschiedenen Industrie- und Automobilanwendungen durchführen (AEC-Q100-qualifiziert).

Der AD8410A und der AD8411A können sowohl für AC- als auch für DC-Messungen verwendet werden, sind für den Betrieb über einen weiten Temperaturbereich mit minimalem Verstärkungsfehler ausgelegt und verfügen über einen weiten Betriebsspannungsbereich, um unterschiedlichen Systemanforderungen gerecht zu werden. Beide nutzen einen integrierten Trimmkern, der eine typische Offset-Drift von ±0,26 µV/°C über den gesamten Betriebstemperaturbereich und Gleichtaktspannungsbereich ermöglicht, ohne dass Taktgeber für Chopping und automatische Nullstellung erforderlich sind, die zu erhöhtem Rauschen und anderen negativen Auswirkungen führen können.

Der AD8410A (Abbildung 1) hat eine Anfangsverstärkung von 20 V/V und eine Bandbreite von 2,2 MHz.

Abbildung 1: Strommessverstärker AD8410A von ADI. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der AD8411A (Abbildung 2) bietet eine Anfangsverstärkung von 50 V/V und eine Bandbreite von 2,7 MHz, was eine größere Flexibilität und Empfindlichkeit ermöglicht.

Abbildung 2: Strommessverstärker AD8411A von ADI. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die AD8410A/11A können sowohl für High-Side- als auch für Low-Side-Strommessanwendungen verwendet werden. Sie eignen sich für die In-Phase- oder High-Side-Stromerfassung in verschiedenen Anwendungen wie Motorsteuerung, bidirektionale DC/DC-Wandler, Magnetventilsteuerungen und Stromschienenüberwachung.

Sie eignen sich auch für die Inline-Strommessung in Antrieben mit bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC), um den durch die Motorwicklungen fließenden Strom zu messen, was für eine präzise Steuerung und Leistungsoptimierung entscheidend ist.

Die Hochspannungs-Strommessverstärker mit hoher Bandbreite wurden für Präzisionsstrommessanwendungen entwickelt und ermöglichen eine präzise Drehmomentsteuerung, den Einsatz kleinerer Motoren und Drosseln sowie intelligentere motorgetriebene Anwendungen. Dank einer einzigartigen Architektur können sie kleine Differenzstrom-Nebenschlussspannungen bei sich schnell ändernden Gleichtaktspannungen genau verstärken.

Die höhere Bandbreite ermöglicht eine genauere Stromerfassung bei hohen Schaltfrequenzen in DC-Motoren, AI-Servern und DC/DC-Wandlern. Dies führt zu einer höheren Genauigkeit eines Analog/Digital-Wandlers (ADC), insbesondere bei Anwendungen mit schnelleren Schaltfrequenzen der Pulsweitenmodulation (PWM) und hohen Spannungen.

Während höhere Schaltfrequenzen oft zu erhöhten elektromagnetischen Störungen (EMI) führen können, sind die Strommessverstärker AD8410A/11A mit Funktionen ausgestattet, die diese Herausforderung meistern. Sie bieten ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von 123 dB von -2 V bis +70 V, um Rauschen zu unterdrücken und die EMI-Performance zu verbessern, wodurch sie sich für Anwendungen in verrauschten elektrischen Umgebungen eignen, in denen EMI ihre Genauigkeit beeinträchtigen könnte. Sie sind weniger anfällig für Intermodulationsstörungen und minimieren den Einsatz zusätzlicher Filter.

Der AD8410A und der AD8411A haben die gleichen Gehäuseoptionen und Merkmale wie Überspannungsschutz und eine Freigabe-/Sperrfunktion. Sie sind für den Betrieb mit einer einzigen 2,9V- bis 5,5V-Versorgung innerhalb eines industriellen Temperaturbereichs von -40°C bis +125°C ausgelegt und in branchenüblichen kompakten 8-poligen SOIC_N-Gehäusen (Small Outline Package) und 8-poligen MSOP ( Mini Small Outline Package) mit freiliegendem Pad für verbesserte thermische Leistung erhältlich.

Für Motorsteuerungssysteme, die eine präzise Strommessung und -rückkopplung erfordern - wie z. B. Industrieantriebe, Roboter oder Elektrofahrzeuge - kann der AD8410A/11A hohe Gleichtaktspannungen von der Motorversorgung verarbeiten und einen linearen Ausgang proportional zum Strom durch den Shunt-Widerstand liefern. Der AD8411A kann verwendet werden, wenn eine höhere Verstärkung für kleinere Shunt-Widerstände oder niedrigere Strombereiche erforderlich ist.

Batteriemanagementsysteme, die die Lade- und Entladeströme von Batteriezellen oder -packs überwachen, können von der Fähigkeit des AD8410A/11A profitieren, die Differenzspannung über einem Shunt-Widerstand in Reihe mit der Batterie zu messen, um eine genaue und schnelle Strommessung zu ermöglichen. Der AD8411A kann eingesetzt werden, wenn eine höhere Auflösung für niedrige Strompegel oder Batterien mit hoher Kapazität erforderlich ist.

Für Stromversorgungsüberwachungs- und -schutzschaltungen, die Überstrom- oder Kurzschlussbedingungen erkennen, kann der AD8410A/11A den durch eine Last oder einen Schalter fließenden Strom erfassen und ein Signal zur Fehlererkennung oder Rückkopplungssteuerung bereitstellen. Der AD8411A kann eingesetzt werden, wenn eine schnellere Reaktionszeit oder eine höhere Empfindlichkeit für die Anwendung erforderlich ist.

Evaluierungsboards für Strommessverstärker von ADI

Evaluierungsboards von ADI können genutzt werden, um die Performance der Strommessverstärker AD8410 und AD8411 in verschiedenen Szenarien bewerten können.

Die Boards AD8410AR-EVALZ (SOIC) (Abbildung 3), AD8410ARM-EVALZ (MSOP), AD8411AR-EVALZ (SOIC) und AD8411ARM-EVALZ (MSOP) sind für die einfache Konfiguration verschiedener Betriebsarten und Lasten ausgelegt.

Abbildung 3: Evaluierungsboard AD8410AR-EVALZ von ADI. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Mit diesen Boards können die Funktionen und Vorteile der Strommessverstärker AD8410 und AD8411 in einer praktischen Konfiguration erforscht werden. Ein Shunt mit einer maximalen Standardgröße von 2818 kann auf die Platinen gelötet werden, und die Betriebsart kann für unidirektionale oder bidirektionale Stromerfassung gewählt werden.

Fazit

Die Strommessverstärker AD8410 und AD8411 von ADI sind vielseitige und leistungsstarke Komponenten, die für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, die eine genaue und zuverlässige Strommessung erfordern. Diese Verstärker unterstützen High-Side- und Low-Side-Strommessanwendungen und können dazu beitragen, die Effizienz, Sicherheit und Zuverlässigkeit von elektronischen Produkten zu verbessern, die eine präzise und robuste Stromüberwachung, eine niedrige Offsetspannung, eine geringe Drift, eine hohe Bandbreite und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis erfordern.