ישם ביעילות ניטור זרם תוך שימוש במגברי חישת זרם דו-כיווניים משולבים

דרוש ניטור זרם מהיר ומדויק במגוון הולך וגדל של יישומים, כולל כלי-רכב אוטונומיים, אוטומציה של מפעלים ורובוטיקה, תקשורת, ניהול הספק של שרתים, מגברי אודיו Class D ומערכות רפואיות. ברבים מיישומים אלה דרושה חישת זרם דו-כיוונית, אך היא חייבת להעשות ביעילות ובמינימום עלות.

אף-על-פי שאפשר לבנות מגבר חישת זרם (CSA) דו-כיווני תוך שימוש בזוג מגברי חישת זרם חד-כיווניים‏, זה יכול להיות תהליך מורכב וגוזל-זמן. זה מערב מגבר שרת פס-לפס נפרד כדי לאחד את שתי היציאות ליציאת קצה-יחיד (Single-Ended‏), או את השימוש בשתי כניסות ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) במיקרו-בקר, שדורש קידוד מיקרו-בקר ומחזורי מכונה נוספים. לבסוף, בניית‏ CSA דו-כיווני תוך שימוש בשני CSA חד-כיווניים—ועוד הרכיבים הנוספים הדרושים לשלבם בפתרון דו-כיווני—יכולה לצרוך יותר מקום על לוח המעגל, והמספר הגדול יותר של חלקים יכול להקטין אמינות ולהגדיל דרישות מלאי. התוצאה הסופית יכולה להיות גלישה בעלות ובלוח הזמנים של התכנון.

במקום זאת, מתכננים יכולים לפנות אל מגברי CSA דו-כיווניים, מהירות-גבוהה, משולבים. הם יכולים לבחור ממגברי CSA דו-כיווניים משולבים עם נגדי מצד (Shunt‏) השראות-נמוכה‏ פנימיים היוצרים את הפתרון הקומפקטי ביותר, או מגברי CSA המשתמשים בנגדי מצד חיצוניים כדי לספק תכנון ואפשרויות עריכה גמישים יותר.

מאמר זה סוקר את דרישות המימוש של מגברי CSA דו-כיווניים ואת היתרונות של גישה משולבת יותר. לאחר מכן, המאמר מציג התקני דוגמה מבית STMicroelectronics,‏ Texas Instruments ו-Analog Devices‏, כולל פרמטרים עיקריים ומאפיינים מבדלים. לבסוף, הוא מראה כיצד להתחיל בצעדים ראשונים של תכנון עם התקנים אלה, כולל תכני ייחוס/ערכות הערכה/ערכות פיתוח נלווים וטיפים של תכנון ויישום.

כיצד להשתמש בשני מגברי CSA חד-כיווניים‏

ניתן לבנות מעגל מגבר CSA‏ דו-כיווני ביותר מדרך אחת על ידי שימוש בשני מגברי CSA חד-כיווניים‏ (איור 1‏). ה-Analog Devices MAX4172ESA+T בדוגמה בצד שמאל, אינו כולל נגד עומס פנימי ועל כן משתמש ברכיבים הבדידים R_a ו-R_b. בדוגמה בצד ימין, ל-MAX4173TEUT+T יש נגד‏ פנימי של 12‏ קילו-אוהם (kΩ‏) כדי להמיר את יציאת הזרם שלו למתח.

איור 1‏: יישומי חישת זרם דו-כיווניים המשתמשים בשני מגברי חישת זרם חד-כיווניים ניתן לממש על ידי שימוש בנגדי עומס חיצוניים (שמאל), או עם נגד עומס‏ פנימי (ימין). (מקור תמונה: Analog Devices)

מעגל ה-MAX4173TEUT+T, בעוד שאיננו זקוק לשני נגדי העומס, מוסיף קבל של 1 ננו-פאראד (nF) במשוב שלו כדי לייצב את חוג הבקרה של חלק B‏. בשני המקרים, זרמי היציאה משני מגברי ה-CSA מאוחדים תוך שימוש במגבר שרת לשימוש כללי MAX4230AXK+T.

שתי הגישות כוללות מספר חלקים גדול יותר ממה שדרוש אם משתמשים במגבר CSA דו-כיווני אחד. בנוסף למספר החלקים הגדול יותר, מערך לוח המעגל המודפס מורכב יותר מאחר ושני מגברי ה-CSA החד-כיווניים חייבים להיות ממוקמים קרוב לנגד ה-V_SENSE.

דוגמאות יישום עם שימוש במגברי CSA דו-כיווניים‏

מגברי CSA דו-כיווניים הם התקנים רב-תכליתיים ונמצאים‏ במגוון רחב של יישומים. לדוגמה, ניתן להשתמש בשני מגברי CSA במערכת מנוע סרווו תלת-פאזי כדי לקבוע את זרמי הליפוף הרגעיים של כל שלושת הפאזות, ללא חישוב נוסף כלשהו או אינפורמציה אודות פאזות הפולס או מחזורי הפעולה (duty cycles) של אפנון רוחב הפולס (PWM) (איור 2‏).

איור 2‏: ביישום מנוע סרווו תלת-פאזי, שני מגברי CSA דו-כיווניים ניתנים לחיבור על פני נגדי חישה עבור פאזה 1 (R_SENSEΦ1) ופאזה 2 (R_SENSEΦ2) כדי לחולל מתח המיצג את הזרם בליפוף הפאזה השלישית. (מקור תמונה: Analog Devices)

החוק של Kirchhoff אומר שסכום הזרמים בשני הליפופים הראשונים שווה לזרם בליפוף השלישי. המעגל משתמש בשני מגברי CSA דו-כיווניים +MAX40056TAUA כדי למדוד את זרמי שתי הפאזות, זרמים שמתחברים במגבר השרת לשימוש כללי MAX44290ANT+T. מאחר ולכל שלושת המגברים יש אותו מתח ייחוס, מקבלים מדידות רציומטריות.

בדוגמה אחרת, במגבר אודיו Class-D, ניתן להשתמש במגבר CSA דו-כיווני יחיד כמו ה-INA253A1IPW מבית Texas Instruments ‏כדי למדוד במדויק זרם עומס רמקול (איור 3‏).

איור 3‏: בתכני אודיו Class-D,‏ ‏ניתן להשתמש במגבר CSA דו-כיווני (INA253) כדי לבצע שיפורים ברמקול ודיאגנוסטיקה. (מקור תמונה: Texas Instruments)

ניתן להשתמש במדידות זמן-אמת של זרם עומס רמקול עבור דיאגנוסטיקה ומיטוב ביצועי מגבר על ידי כימות פרמטרים עיקריים של רמקול וביצוע שינויים בפרמטרים אלה, כולל:

• התנגדות סליל
• אימפדנס של הרמקול
• תדר תהודה ואימפדנס שיא בתדר תהודה
• טמפרטורת סביבה זמן-אמת של הרמקול

טיפים של מערך לוח ושיקולי מצד זרם

התנגדות והשראות פרזיטית מהוות סיבה לדאגה כשמממשים מעגלי חישת זרם. כמו כן, לחם (solder) עודף והתנגדות פרזיטית של פסי מוליך יכולים לגרום לשגיאות חישה. משתמשים לרוב בנגדי חישת זרם בעלי ארבעה הדקים. אם אין אפשרות להשתמש בנגד בעל ארבעה הדקים, יש לנהוג לפי טכניקות מערך לוח מעגל מודפס Kelvin‏ (איור 4‏).

איור 4: פסי מוליך חישה Kelvin‏ חייבים להיות קרובים ככל האפשר לפדי מגע ההלחמה על נגד חישת הזרם. (מקור תמונה: Analog Devices)

מיקום פסי מוליך חישה Kelvin‏ קרוב ככל האפשר לנקודות המגע המולחמים של נגד חישת הזרם מקטין למינימום התנגדויות פרזיטיות. ‏ריווח רחב יותר של פסי מוליך Kelvin יגרום לשגיאת מדידה הנגרמת על ידי ההתנגדות הנוספת של פסי המוליך.

בחירת נגד חישה היא‏ היבט חשוב בהקטנה למינימום של השראות פרזיטית. השראויות מארז חייבות להיות מינימליות מאחר ומתח השגיאה פרופורציונלי לזרם העומס. בדרך כלל, נגדים מלופפים הם בעלי ההשראות הגבוהה ביותר והתקני ציפוי מתכת (metal film) סטנדרטיים הם בעלי השראות בינונית. עבור יישומי חישת זרם, בדרך כלל מומלצים נגדי ציפוי מתכת (metal film) בעלי השראות נמוכה.

ערך נגד המצד (shunt resistor) הוא פשרה בין התחום הדינמי ופיזור הספק. עבור חישת זרם גבוה, מומלץ להשתמש בנגד מצד (Shunt) בעל ערך נמוך כדי להקטין למינימום את הפיזור התרמי (I²R). עבור חישת זרם נמוך, ניתן להשתמש בערך התנגדות גבוה יותר כדי להקטין למינימום את ההשפעה של מתח ההיסט (offset voltage) על מעגל החישה.‏

מרבית מגברי ה-CSA‏ מסתמכים על נגדי מצד (Shunts) חיצוניים כדי למדוד זרם, אך ישנם מגברי CSA מסוימים שמשתמשים בנגדי מצד זרם פנימיים. בעוד השימוש בנגדי מצד (Shunts) פנימיים יכול לגרום לתכנים קומפקטיים יותר עם פחות רכיבים, הדבר כרוך במספר פשרות, כולל: פחות גמישות מאחר והערך של נגד המצד (Shunt) נקבע מראש, הצורך בזרם רוגע גבוה יותר בהשוואה למגברי CSA עם נגד מצד חיצוני, וגודל הזרם שניתן למדוד הוא מוגבל על ידי יכולות נגד המצד הפנימי.

מגברי CSA דו-כיווניים מדויקים למתח גבוה‏

ה-TSC2011IST מבית STMicroelectronics מאפשר למתכננים להקטין למינימום פיזור הספק על ידי ניצול היתרון של יכולות הדיוק שלו להשתמש בנגדי מצד זרם חיצוניים בעלי התנגדות נמוכה (איור 5‏). מגבר ה-CSA הדו-כיווני מתוכנן להעניק מדידות זרם מדויקות ביישומים כגון איסוף נתונים, בקרת מנוע, בקרת סולנואיד, מכשור, בדיקות ומדידות ובקרת תהליכים.

איור 5‏: ה-TSC2011IST כולל פין‏ כיבוי (SHDN) כדי למקסם חיסכון באנרגיה, והוא עובד בתחום הטמפרטורות התעשייתי של 40− עד 125°C. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

ה-TSC2011IST הוא בעל הגבר מגבר של 60 וולט/וולט‏ (V/V‏), מסנן ‏הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) משולב, וטולרנס פריקה אלקטרוסטטית (ESD‏)‏ מודל גוף אדם (HBM‏) של 2 קילו-וולט (kV) (לפי תקן JEDEC JESD22-A114F). ה-TSC2011 יכול לגלות‏ נפילת מתח קטנה עד כדי ‏10 מילי-וולט (mV‏) בהיקף מלא כדי לספק מדידות קונסיסטנטיות. מכפלת הגבר-רוחב-פס שלו של 750 קילו-הרץ (kHz‏) וקצב שינוי (slew rate) של 7.0 וולט למיקרו-שנייה (V/µs‏) מבטיחים דיוק גבוה והענות מהירה.

מתכננים יכולים להשתמש בלוח ההערכה STEVAL-AETKT1V2 כדי להתחיל במהירות בצעדים ראשונים של שימוש ב-TSC2011IST (איור 6‏). הוא יכולה לחוש‏ בזרם בתחום רחב של מתחי אות משותף, החל מ-20- עד 70+ וולט. מאפייני ה-TSC2011IST:

• שגיאת הגבר: 0.3% מקס'
• סחיפת היסט: 5‎ µV/°C מקס'
• סחיפת הגבר: 10 חלקים למיליון למעלת צלסיוס (ppm/°C) מקס'
• זרם רוגע: ‏20‏ מיקרו-אמפר (µA‏) במצב כבוי

איור 6‏: לוח ההערכה STEVAL-AETKT1V2 כולל את הלוח הראשי וכרטיס בת שכולל את ה-TSC2011IST. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

מגבר CSA דו-כיווני עם נגד מצד (Shunt) פנימי

ה-INA253A1IPW מבית Texas Instruments משלב נגד מצד זרם השראות-נמוכה של‏ 2‎ mΩ, %‏0.1‏ ותומך במתחי אות-משותף של עד 80 וולט (איור 7‏). ה-INA253A1IPW מספק למתכננים מעגל דחיית PWM מוגדלת לדיכוי אותות בעלי dv/dt גדול, ובכך לאפשר מדידות זמן-אמת של זרם רציף עבור יישומים כגון דוחף מנוע ובקרת שסתום סולנואיד. המגבר הפנימי מתאפיין בטופולוגיה של סחף-אפס עם יחסי דחיית אות-משותף (CMRRs) ‏> 120 דציבל (dB‏) ‏CMRR DC‏ ו-90‎ dB‏ CMRR AC ב-‎50 kHz‏.

איור 7‏: מגבר ה-CSA הדו-כיווני INA253A1IPW, שמוצג כאן ביישום‏ אופייני, הוא בעל נגד מצד זרם ויכול למדוד זרם רציף של ‎±15 A מ-40– עד ‎85°C+. (מקור תמונה: Texas Instruments)

מתכננים יכולים להאיץ את הפיתוח של תכני מערכת המבוססים על ה-INA253A1IPW על ידי שימוש בנקודות הבדיקה על לוח ההערכה הקשור INA253EVM כדי לגשת לפינים הפונקציונליים של מגבר ה-CSA (איור 8‏). לוח שתי השכבות מידותיו 2.4‏ ×‏ 4.2 אינץ' ומיוצר עם 1 אונקיה (oz‏) נחושת.

איור 8: לוח שתי השכבות INA253EVM מידותיו 2.4‏ ×‏ 4.2 אינץ' ומיוצר עם ‎1 oz‏ נחושת. השכבה התחתונה היא ללא רכיבים אך כוללת משטח הארקה מנחושת מלאה המספק נתיב אימפדנס-נמוך עבור זרמים חוזרים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

מעגלי תמיכה מינימליים כלולים על לוח המעגל המודפס, ופונקציות ניתנות להגדרה מחדש, להסרה או לעקיפה, לפי הצורך. ה-INA253EVM מספק את המאפיינים הבאים:

• שלושה התקני INA253A1IPW
• גישה קלה לכל הפינים
• מערך לוח ומבנה שתומכים בזרם של ‏‎15 A±‏ דרך מגברי ה-CSA‏ INA253 בכל תחום הטמפרטורות מ-40- עד 85°C+
• משריני מקום על לוח המעגל המודפס עבור תצורות שונות מברירת-המחדל

השכבה התחתונה היא ללא רכיבים אך כוללת משטח הארקה מנחושת מלאה המספק נתיב אימפדנס-נמוך עבור זרמים חוזרים.

מגבר CSA דו-כיווני מוסמך AEC-Q100

כדי לנטר זרמים בבקרי מנוע גשר-מלא, ספקי-כוח ממותגים, סולנואידים וערכות סוללה, כמו גם ביישומי רכב, מתכננים יכולים להשתמש ב-LT1999IMS8-20#TRPBF מבית Analog Devices‏ (איור 9‏).

איור 9‏: ה-LT1999IMS8-20#TRPBF‏ הוא מגבר CSA דו-כיווני ביישום ניטור זרם ‏עוגן גשר-מלא. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-LT1999IMS8-20#TRPBF הוא מוסמך AEC-Q100‏ עבור יישומי רכב וכולל מצב כבוי כדי להקטין למינימום צריכת הספק. ההתקן משתמש בנגד מצד חיצוני כדי למדוד את הכמות כמו גם הכיוון של הזרם הזורם.‏ הוא מייצר מתח יציאה‏ פרופורציונלי שמיוחס לאמצע התחום בין מתח האספקה להארקה. למתכננים יש את האפשרות ליישם מתח‏ חיצוני כדי לקבוע את רמת הייחוס.

ה-LT1999IMS8-20#TRPBF עובר למצב כבוי‏ בהספק-נמוך תוך כדי משיכת זרם של 3‎ μA כש-V_SHDN (פין 8) נדחף אל תוך תחום ה-‏0.5‏ וולט מהארקה. פיני הכניסה (IN+ ו-IN–) ימשכו בערך 1 ננו-אמפר (nA‏) עם מוטים בתחום מ-0 עד 80 וולט (ללא יישום מתח הפרשי). רגישות EMI‏ מוקטנת על ידי מסנן מדכא EMI הפרשי מעביר-נמוכים פנימי, מסדר^‏ ראשון, המסייע בדחיית אותות תדר-גבוה מעבר לרוחב-הפס של ההתקן.

כדי להתנסות עם סדרת ה-LT1999, ‏Analog Devices‏ מספקת את לוח ההדגמה 1698A. הלוח מגביר את מפל המתח על נגד חישת זרם על הלוח ומיצר מתח יציאה דו-כיווני פרופורציונלי לזרם דרך הנגד. מתכננים יכולים לבחור בין שלוש אפשרויות הגבר קבועות; ‎10 V/V‏ (DC1698A-A),‏ 20‎ V/V‏ (DC1698A-B) ו-50‎ V/V‏ (DC1698A-C).

מגבר CSA דו-כיווני עם דחיית PWM

עבור דחיה משופרת של קצוות אות-משותף PWM כניסה בתכנים המבקרים עומסים השראותיים כגון סולנואידים ומנועים, מתכננים יכולים להשתמש ב- +MAX40056TAUA (איור 10‏). מוזכר קודם בהקשר לאיור 2‏, ה- +MAX40056TAUA הוא מגבר CSA דו-כיווני שיכול לטפל בקצבי שינוי ביציאה (slew rates) של ±500 וולט למיקרו-שנייה‏ ויותר. הוא בעל CMRR‏ אופייני של ‎60 dB‏ (50 וולט, ±500 וולט למיקרו-שנייה כניסה) ו-‎140 dB DC‏. תחום האות-המשותף שלו הוא מ-0.1- וולט עד 65+ וולט וכולל הגנה מפני מתחי kickback השראותיים מטה עד 5- וולט.

איור 10‏: ה- +MAX40056TAUA כולל מתח ייחוס פנימי של 1.5 וולט, דחיית PWM מוגברת ומשוון חלון פנימי משולב‏ כדי לגלות תנאי זרם-יתר חיובי כמו גם שלילי (בתחתית צד שמאל, נדחף על ידי כניסת CIP). (מקור תמונה: Analog Devices)

ל- +MAX40056TAUA זה יש מתח ייחוס‏ פנימי של 1.5 וולט‏ שניתן להשתמש בו עבור מטרות מרובות כולל:

• לדחוף ממיר אנלוגי לדיגיטלי ‏הפרשי
• קיזוז היציאה כדי להראות את כיוון הזרם דרך נגד החישה
• להוות מקור זרם דרך עומסים חיצוניים כדי למתן ירידות ביצועים

כשתנודות יציאה גבוהות יותר בתחום-מלא הן שימושיות, או עבור מתחי אספקה מעל 3.3 וולט, מתכננים יכולים לעקוף את מתח הייחוס הפנימי על ידי מתח ייחוס חיצוני גבוה יותר. לבסוף, מתכננים יכולים להשתמש במתח ייחוס פנימי או חיצוני כדי להגדיר את הסף עבור הפלת משוון זרם-היתר המשולב, על ידי אספקת אות מידי של תקלת זרם-יתר.

ערכת ההערכה #MAX40056EVKIT עבור ה- +MAX40056TAUA מספקת למתכננים פלטפורמה‏ מוכחת עבור פיתוח יישומי CSA דו-כיווניים מתח-גבוה, דיוק-גבוה, כגון דוחפי סולנואיד ובקרי מנוע סרוו.

מסקנה

דרוש ניטור זרם מהיר ומדויק לרוחב מגוון יישומים, החל מרכב, אוטומציה של מפעלים ורובוטיקה, עד ניהול הספק של שרתים, מגברי אודיו Class D ומערכות רפואיות. במקרים רבים, דרושה חישת זרם דו-כיוונית.

למרבה המזל, מתכננים יכולים לבחור ממגוון מגברי CSA דו-כיווניים ופלטפורמות פיתוח נלוות שלהם, כדי לממש במהירות וביעילות ניטור מהיר ומדויק של זרם דו-כיווני.

קריאה מומלצת

1. Use Sensorless Vector Control with BLDC and PMS Motors to Deliver Precise Motion Control
2. How to Choose and Use Angle Sensors for Power Steering, Motors and Robotics