4-dekadowy układ pomiaru prądu bez zewnętrznego rezystora bocznikowego

Pomiar prądu jest bardzo często wykorzystywany w wielu układach elektronicznych, gdyż jest prostym i użytecznym sposobem monitorowania stanu systemu. Postępująca miniaturyzacja, coraz mniejsza moc pobierana przez układy elektroniczne sprawiają, że konieczny staje się monitoring warunków pracy po to, aby nie doprowadzić do uszkodzenia ani strat na wydajności. Potrzeba pomiaru prądu w systemach elektronicznych dotyczy szerokiego zakresu wartości od minimalnych poziomów mikroamperowych aż do kilku amperów. Duży zakres dynamiki pomiaru można zaobserwować w następujących przypadkach:

• konieczność monitorowania prądów płynących w uśpieniu i stanie aktywności,
• w urządzeniach testowych ATE, które muszą być zdolne do pomiaru zarówno małych wartości, jak i dużych wartości do zapewnienia wydajnego testowania produktów w czasie produkcji,
• w badaniach produktu w środowisku produkcyjnym w celu wykrycia problemów montażowych takich jak topnik uwięziony pod układami, zwarcia lutownicze lub otwarte obwody oraz testy działania/funkcjonalności,
• w monitorowaniu stanu urządzeń przemysłowych, pomiarach rozpraszanej mocy podczas włączania i wyłączania, monitorowaniu prądów w stanie normalnej pracy i upływowych w celu określenia zużycia w czasie.

 

Rys. 1. Typowy układ pomiaru prądu z bocznikiem i wzmacniaczem CSA

Przy wysokim napięciu zasilania obwodu pomiarowego (gdy dopuszczalne napięcie w trybie wspólnym sięga 80 V), rozwiązaniem jest prosty aplikacyjnie wzmacniacz operacyjny współpracujący z czujnikiem pomiarowym prądu (current sense amplifier, CSA) zapewniający dużą precyzję i dokładność (rys. 1). Pomiar z użyciem odpowiedniej wartości rezystora pomiarowego pokrywa tu większość zastosowań i wymagań. Wzmacniacze CSA zapewniają najlepszą w swojej klasie dokładność i precyzję, aby umożliwić realizację pomiaru mikroamperowych wartości przy dobrym stosunku sygnału do szumu (SNR), zapewniającym dużą rozdzielczość pomiaru.

Jednak wybór wzmacniacza CSA dla projektantów nie jest łatwym zadaniem. Istnieją kompromisy, które należy wziąć pod uwagę (rys. 2), takie jak:

• wartość napięcia zasilającego,
• minimalna mierzona wartość prądu, która przekłada się na to, jak małe musi być wejściowe napięcie niezrównoważenia układu (V_OS),
• maksymalna wartość prądu, która determinuje maksymalne napięcie na wejściu (V_SENSE),
• dopuszczalną moc strat w boczniku R_SENSE.

 

Rys. 2. Kompromisy projektowe w układach z CSA i R_SENSE

Zakres dopuszczalnego napięcia różnicowego jest przypisany do wybranego wzmacniacza pomiarowego, a zwiększenie rezystancji bocznika R_SENSE poprawia dokładność pomiarów dla niższych wartości prądu, niemniej im większa wartość tej oporności tym większe straty mocy przy wyższych wartościach pomiarowych, co może być nie do zaakceptowania w projekcie. Zmniejsza się również zakres mierzonych prądów (I_MIN–I_MAX).

Mała wartość R_SENSE jest korzystna, ponieważ zmniejsza straty mocy i nagrzewanie tego elementu, a więc poprawia dokładność. Pozwala też mierzyć duże wartości, czyli zwiększa zakres pomiarowy. Zmniejszenie wartości rezystancji bocznika R_SENSE zmniejsza też stosunek sygnału do szumu SNR. Należy zauważyć, że w tym przypadku off set wzmacniacza wpływa istotnie na dokładność pomiaru, stąd często kalibracja w temperaturze pokojowej jest wymagana w celu poprawy dokładności systemu, kompensacji napięcia niezrównoważenia, co zwiększa koszty produkcji.

Zakres wejściowego napięcia różnicowego (V_SENSE) zależy również od napięcia zasilania lub wartości napięcia odniesienia i wzmocnienia CSA:

W każdej aplikacji realizującej pomiary dużej wartości prądu celem projektanta jest maksymalizacja zakresu dynamicznego dla wymaganej dokładności, który jest zwykle szacowany za pomocą formuły:

Dla większości układów CSA V_SENSE–R_ANGE wynosi zwykle 100 mV przy wejściowym napięciu niezrównoważenia około 10 μV. Należy zauważyć, że jeśli V_{SENSE_MIN} zostanie ustalony na poziomie 10×VOS, zapewni to co najwyżej 3 dekady pomiarowe dla błędu ±10% w nieskalibrowanym układzie. Podobnie, jeśli wybrano 100×VOS, można osiągnąć błąd ±1%, ale wtedy zakres dynamiki zostaje zmniejszony do 2 dekad. W rezultacie istnieje kompromis między zakresem dynamicznym a dokładnością. Im większa jest wymagana dokładność, tym oczywiście mniejszy jest zakres dynamiczny ustalany przez wartość V_{SENSE_MIN} i na odwrót.

Należy zauważyć, że w układzie pomiarowym zawierającym CSA + R_SENSE (rys. 1) tolerancja oporności bocznika i jego współczynnik temperaturowy jest zwykle wąskim gardłem dla dużej całkowitej dokładności systemu pomiarowego. Mimo to pomiar z użyciem bocznika jest nadal skutecznym sposobem monitorowania i pomiaru prądu w układach elektronicznych dzięki prostocie, niezawodności i rozsądnym kosztom w porównaniu z licznikami ładunku, układami ze zintegrowanym w strukturze półprzewodnikowej rezystorem czy też z użyciem układu różnicowego, bazującego na wzmacniaczach operacyjnych. W handlu dostępne są rezystory o małej tolerancji i współczynniku temperaturowym, ale są one znacznie droższe. Całkowity błąd pomiarowy dla aplikacji w funkcji temperatury musi być równoważny błędowi generowanemu przez R_SENSE, aby takie pomiary miały sens.

Rozwiązanie pomiarowe bez bocznika zewnętrznego

Jeśli chodzi o aplikacje, które wymagają większego zakresu dynamicznego dla mierzonych prądów, od kilkuset mikroamperów do kilku amperów, pomocny może być układ ze zintegrowanym czujnikiem prądu (U1), pokazany na rysunku 3. Rozwiązanie to ma następujące zalety

• zintegrowany element pomiarowy (a więc bez rezystora zewnętrznego),
• lepszy niż 4-dekadowy zakres dynamiki pomiaru prądu,
• wyjście prądowe, które na obciążeniu 160 Ω zapewnia zakres 0–1 V V_OUT i jest kompatybilne ze wszystkimi przetwornikami ADC.

 

Rys. 3. Układ pomiaru prądu zasilany napięciem od 2,5 do 5,5 V ze zintegrowanym bocznikiem

Zamiast zewnętrznego rezystora czujnikowego pomiędzy wejściem V_DD i wyjściem LD znajduje się zintegrowany czujnik, który może mierzyć prąd wyjściowy I_LOAD w zakresie od 100 μA do 3,3 A. Wewnętrzny wzmacniacz zapewnia, że 1/500 prądu wyjściowego kierowana jest na wyprowadzenie ISH, a rezystor 160 Ω dołączony do tej końcówki zamienia ten prąd na wyjście napięciowe V_ISH z zakresu 0–1 V.

Spadek napięcia między V_DD i LD wynosi około 60 mV przy prądzie 3 A (rys. 4), co odpowiada stratom mocy zaledwie 180 mW. Dla niższych wartości prądu całkowity błąd dla zakresu pomiarowego 100 μA jest rzędu 10% (rys. 5). Dzięki mniejszym stratom mocy przy dużych prądach mierzonych i jednocześnie relatywnie małemu błędowi pomiarowemu dla małych wartości prądu rozwiązanie to jest konkurencyjne do znanych metod z rysunku 1.

 

Rys. 4. Spadek napięcia na wewnętrznym elemencie pomiarowym w funkcji prądu obciążenia

 

Rys. 5. Błąd wzmocnienia na wyjściu ISH w zależności od prądu obciążenia w różnych temperaturach

Układ pomiarowy działający w rozszerzonym zakresie napięć

Układ pokazany na rysunku 6 jest rozszerzeniem koncepcji z rysunku 3, ale oferującym szerszy zakres napięcia wejściowego. Napięcie zasilania dla U1 może wynosić od 6 do 36 V. Dioda Zenera D1 utrzymuje napięcie na V_DD i bramce tranzystora P-FET (M1) na poziomie 5,6 V. Większy zakres napięcia zasilania jest redukowany przez M1 przy napięciu źródła ograniczonym do około 4 V–4,5 V, co utrzymuje w ten sposób napięcie robocze U1 (V_DD–V_SS) w dopuszczalnym zakresie. Napięcie źródła tranzystora M1 następnie polaryzuje bramkę M2, także typu P-FET. Źródło M2 jest na potencjale V_SS (U1) + V_TH (M2), gwarantując, że wyjście U1 ISH jest na dopuszczalnym poziomie. Wyjście prądowe ISH i rezystor R1 generują sygnał wyjściowy w zakresie od 0 do 1 V w odniesieniu do GND.

 

Rys. 6. Układ pomiaru prądu dla napięcia zasilania od 6 do 36 V ze zintegrowanym bocznikiem

Podsumowanie

Układ MAX40016 pozwala zrealizować prosty obwód pomiaru prądu działający w zakresie dynamicznym obejmującym 4 dekady i działającym w szerokim zakresie napięć zasilających aż do 36 V.

Bich Pham, Ashwin Badri Narayanan, Maxim Integrated

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com