Izolowane modulatory sigma-delta nowej generacji poprawiają pomiar prądu na poziomie systemu
| TechnikaArtykuł przedstawia specyfikację CMTI (common-mode transient immunity) i opisuje jej znaczenie w układach elektronicznych. Następnie prezentuje nową serię izolowanych modulatorów sigma-delta, omawia ich wydajność oraz sposób, w jaki poprawiają dokładność pomiaru prądu, zwłaszcza w zakresie błędu wywołanego przez offset i jego dryft. Na koniec przedstawiono zalecane rozwiązanie obwodu pomiarowego prądu w układzie falownika.
Modulatory z izolacją są powszechnie stosowane w inwerterach i sterownikach silników, gdzie wymagana jest duża dokładność pomiaru wartości prądu w stopniu mocy przy zachowaniu izolacji galwanicznej. Elementy te wzmacniają sygnał analogowy, następnie konwertują go na postać cyfrową i przesyłają na wyjście przez izolator galwaniczny jako szeregowy strumień danych. Dzięki wysokiej integracji i dużej wydajności tranzystory MOSFET SiC i GaN w falownikach zaczynają zastępować elementy krzemowe ze względu na ich mniejszy rozmiar, wyższą częstotliwość przełączania i mniejsze wymagane radiatory. Duża szybkość komutacji takich półprzewodników nakłada na komponenty zapewniające izolację galwaniczną znacznie większe wymagania w zakresie parametru CMTI. W takich układach konieczny jest również dokładny pomiar prądu płynącego w obwodach dużej mocy dla realizacji skutecznie działających zabezpieczeń. Nowej generacji modulator z izolacją charakteryzuje się znacznie większą wartością CMTI i ma poprawioną dokładność pomiaru prądu.
Co to jest odporność na stany przejściowe dla sygnałów wspólnych?
Odporność na stany przejściowe dla sygnałów wspólnych określa maksymalną dopuszczalną szybkość narastania i opadania zbocza napięcia przyłożonego do izolacji, powyżej której może dojść do utraty integralności sygnału zegara lub strumienia danych przy transmisji szeregowej. W parametrze tym liczy się zarówno szybkość zmian sygnału, jak i wartość napięcia sygnału wspólnego (common-mode voltage, VCM).
Parametr CMTI jest ważny, ponieważ napięcia przejściowe i stany nieustalone o dużej szybkości narastania zboczy (wysoka częstotliwość) mogą zakłócać transmisję danych przez barierę galwaniczną. Zrozumienie tego zjawiska i zmierzenie podatności elementu na te stany nieustalone ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia pewnego działania urządzenia. Metody pomiarowe używane przez ADI opierają się na normie IEC 60747-17, która definiuje metody pomiaru odporności na sygnały wspólne (CMTI) dla sprzęgaczy magnetycznych.
Nowe modulatory są testowane w zakresie CMTI zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych. Testy statyczne wykrywają jednobitowe błędy, natomiast dynamiczne monitorują dane wyjściowe pod kątem wpływu losowego impulsu CMTI na strumień. Schemat układu testowego pokazano na rysunku 1.
Jak określić wartość CMTI?
Układ pomiarowy do CMTI obejmuje następujące elementy pokazane na rysunku 1:
- Układ zasilania z baterii dla pinów VDD1/VDD2,
- Generator impulsów wysokiego napięcia,
- Oscyloskop do monitorowania danych,
- Układ akwizycji danych służący do ich analizy oraz filtr decymacyjny przez 256 typu sinc3,
- Moduł izolacyjny (zwykle stosowana jest bariera optyczna),
- Badany układ modulatora.
Takie stanowisko jest używane zarówno przy testach statycznych, jak i dynamicznych, a także przy testach innych elementów z izolacją – tylko sygnały wejściowe są inne.
W przypadku badań modulatorów jednobitowy strumień danych jest decymowany (dzielony przez 256) i filtrowany (Sinc3), a następnie przesyłany do pętli sterowania w napędzie silnika, dzięki czemu ocena CMTI w teście dynamicznym jest pełniejsza. Rysunki 2 i 3 pokazują wyniki testów dynamicznych CMTI w dziedzinie czasu i częstotliwości. Jak widzimy, zafałszowania sygnału cyfrowego (obrazowane przez zmienność kodu) powiększają się razem z wartością napięcia wspólnego VCM. Gdy wartość VCM przekracza dopuszczalny dla danego elementu poziom, w dziedzinie czasu pojawia się bardzo duże zakłócenie (rys. 2c). W napędach silników takie zjawisko wywołuje duże tętnienia momentu obrotowego.
Rysunek 3 przedstawia analogiczne badanie, ale wykonane w dziedzinie częstotliwości z użyciem szybkiej transformaty Fouriera (FFT). W tym teście regulowano częstotliwość sygnału zakłócającego poprzez zmianę jego okresu. Wyniki pokazują, że im lepszy parametr CMTI modulatora, tym niższy zanotowany poziom szumów w analizie FFT. W porównaniu z modulatorami poprzedniej generacji, nowe układy ADuM770x charakteryzują się CMTI do 150 kV/μs (poprzednio 25 kV/μs), co znacznie poprawia ich odporność na stany nieustalone, jak pokazano w tabeli 1.
Kompensacja na poziomie urządzenia i kalibracja
W sterowniku silnika lub falowniku im większa jest dokładność danych, tym urządzenie działa bardziej stabilnie i wydajnie. Błąd przesunięcia (off setu) i wzmocnienia to typowe problemy w przetwornikach ADC wpływające na dokładność konwersji. Rysunek 4 pokazuje, jak off set i błąd wzmocnienia wpływają na funkcję przenoszenia przetwornika analogowo-cyfrowego. Mogą skutkować one jako tętnienia momentu obrotowego lub prędkości. Aby ograniczyć ich wpływ, w większości systemów błędy te można skalibrować dla zadanej temperatury.
Kompensacja w całym zakresie temperatur pracy to niestety problem, ale nadal jest możliwa. Konieczne jest stworzenie profilu (modelu) opisującego zmiany w funkcji temperatury, który tworzy współczynnik kompensacji (szczegóły zostały opisane w nocie aplikacyjnej AN-1377). W ten sposób można zmniejszyć wartość dryft u układów AD7403/ AD7405 nawet o 30% dla dryfu off setu i 90% dla dryfu błędu wzmocnienia.
Wzmacnianie z przetwarzaniem
Alternatywnie można sięgnąć po wzmacniacze z przetwarzaniem (choppery) ułatwiające zminimalizowanie wspomnianych błędów. Schemat takiego układu pokazano na rysunku 5.
Wejścia różnicowe modulatora są naprzemiennie odwracane (lub przerywane) za pomocą multipleksera na wejściu, a konwersja analogowo-cyfrowa jest wykonywana dla każdej fazy sygnału przerywającego Chop (przełącza on multiplekser w stan "0" lub "1"). Proces ten jest odwracany w multiplekserze wyjściowym przed przekazaniem sygnału cyfrowego do filtra.
Jeśli off set w modulatorze sigma-delta jest reprezentowany jako napięcie VOS, to na wyjściu jest [AIN(+) − AIN(−)] + VOS, gdy sygnał Chop wynosi 0 oraz −[(AIN(−) − AIN(+ )) + VOS], gdy Chop wynosi 1. Napięcie błędu wynikające z istnienia VOS jest usuwane przez uśrednienie tych dwóch wyników w filtrze cyfrowym, na wyjściu dając [AIN (+) − AIN (−)], co jest tożsame różnicy napięcia wejściowego bez żadnego napięcia off setu.
Najnowsza wersja układu modulatora z izolacją charakteryzuje się poprawionymi parametrami związanymi z off setem i błędem wzmocnienia, ma zoptymalizowane wewnętrzne obwody analogowe i wykorzystuje technikę przetwarzania, co znacznie upraszcza konstrukcję systemu i skraca czas kalibracji. Układy ADuM770x zapewniają najwyższy poziom izolacji i najlepszą wydajność ADC. Dostępna jest również wersja z LDO, która może uprościć układ zasilania dla urządzenia.
Referencyjny projekt układu pomiaru prądu
Typowy obwód służący do pomiaru prądu w silniku zasilanym z falownika trójfazowego pokazano na rysunku 6. Chociaż formalnie wymagane są trzy obwody pomiaru prądu dla każdej z faz, na schemacie dla uproszczenia pokazano tylko jeden, a pozostałe dwa zasygnalizowano niebieską przerywaną linią. Jeden koniec rezystora bocznikowego RSHUNT jest podłączony do wejścia ADuM770x-8. Drugi koniec do tranzystorów FET mocy w mostku zasilanym wysokim napięciem oraz silnika (mogą to być IGBT lub MOSFET-y). Podczas przełączania w układzie mostkowym zawsze mogą pojawić się stany nieustalone takie jak przepięcia lub zapady. Wywołują one wahania napięcia na RSHUNT i są podawane do ADuM770x-8, stąd mogą pojawić też się w formie cyfrowej na pinie DATA. Dlatego projekt układu pomiarowego i mozaika płytki drukowanej mogą poprawić lub pogorszyć ten wpływ i tym samym mają znaczenie dla zapewnienia dokładności pomiaru prądu w uzwojeniach poszczególnych faz silnika.
Zalecany projekt układu z rysunku 6 charakteryzuje się tym, że:
- do odsprzęgania napięcia zasilającego VDD1/VDD2 wymagane są kondensatory 10 μF/100 nF, które należy umieścić jak najbliżej odpowiednich pinów,
- potrzebny jest filtr RC 10 Ω/220 pF do sygnału z rezystora bocznikowego,
- zalecany jest ponadto kondensator między liniami różnicowymi, aby ograniczyć poziom szumów. Powinien być umieszczony blisko wejść IN+/IN– (zalecany rozmiar to 0603),
- gdy wyjściowy sygnał cyfrowy jest transmitowany na długim dystansie, zalecany jest filtr RC 82 Ω/33 pF,
- aby uzyskać dobre parametry, należy rozważyć użycie ekranowanej skrętki dwużyłowej na wyjściu a także 4-zaciskowego rezystora bocznikowego (z pomiarem Kelvinowskim napięcia).
Niezbędny jest również dobry projekt płytki – zalecaną mozaikę pokazano na rysunku 7. Od rezystora bocznikowego do wejścia IN+/IN– prowadzona jest para różnicowa w celu zwiększenia zdolności tłumienia zakłóceń w trybie wspólnym. Dwójnik 10 Ω/220 pF należy umieścić jak najbliżej pinów wejściowych, a kondensatory odsprzęgające blisko końcówek zasilających. Zaleca się ponadto umieszczenie płaszczyzny uziemienia GND1 pod obwodem wejściowym w celu poprawy stabilności. Osobna ścieżka GND1 (pokazana na fioletowo i równoległa do linii routingu pary różnicowej) oraz połączenie w gwiazdę z rezystora bocznikowego do pinu ADuM770x-8 GND jest potrzebne, aby zmniejszyć efekt fluktuacji prądu zasilającego.
Podsumowanie
Najnowsze izolowane modulatory sigma-delta ADuM770x charakteryzują się CMTI nawet 150 kV/μs i mają poprawiony dryft temperaturowy, co jest bardzo korzystne w układach pomiarowych prądu. Aby osiągnąć najlepsze parametry, warto korzystać z referencyjnego układu i projektu płytki drukowanej.
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
