השתמשו במגברים אופטימליים עבור חישת זרם אמינה ומדויקת ברכב

ככל שמערכות אלקטרוניות חודרות ליישומי רכב, מדידה רצופה בזמן-אמת של זרימת הזרם היא קריטית עבור ניטור מצבי זרם-יתר מתקרבים, התרעה על תקלות וכשלים במעגלים ובמערכות, ומתן אות משוב רצוף כדי למטב את ביצועי חוג הבקרה.

בעוד שקיימים טכניקות ורכיבים שונים למדידת זרימת זרם, השיטה הפשוטה מבחינה קונצפטואלית של מדידת מפל המתח על פני נגד חישה (מצד (Shunt‏)) היא אחת הנפוצות ביותר. השיטה מציעה דיוק, חזרתיות, נוחות, גודל קטן, גמישות ויכולת הסתגלות.

ניתן למקם נגד חישה זה בין פס הספקת-הכוח לבין העומס (חישת צד-גבוה) או בין העומס להארקה (חישת צד-נמוך). כל סידור מציע פשרות בביצועים, השפעה על זרימת הזרם הנמדד ודרישות ממגבר המתח הממוקם על פני הנגד, בין היתר. מגבר חישת זרם (CSA) המשויך חייב להיות בעל תכונות ספציפיות ליישום קריטיות כדי לתפקד בצורה אופטימלית, במיוחד בהתחשב בסביבת הפעולה המאתגרת של רכבים.

מאמר זה בוחן חישת זרם צד-גבוה וצד-נמוך ואת הבעיות העומדות בפני המתכננים בכל אחת מהן. לאחר מכן הוא מציג את משפחת CSA של onsemi‏ ומסביר כיצד ניתן להשתמש בה כדי לפתור רבות מבעיות אלו.

שתי תצורות נגד-חישה

חישת מתח על פני נגד קבוע בעל ערך ידוע הממוקם בקו אחד עם העומס מאפשרת קביעת הזרם על ידי יישום ישיר של חוק אוהם: זרם = מתח/התנגדות (I = V/R). בעוד שמיקום נגד החישה צד-נמוך (איור 1, משמאל) לעומת צד-גבוה (איור 1, ימין) אינו משפיע ישירות על תקינות הקריאה, יש לו השלכות רבות ברמת המערכת.

איור 1: מוצגות חישת זרם מבוססת נגד צד-נמוך (משמאל) כאשר הנגד ממוקם בין העומס לבין הארקה, וחישת זרם צד-גבוה כאשר הנגד נמצא בין פס המקור לבין העומס (מימין). (מקור התמונה: onsemi)

בעוד שנגד חישה זה נקרא נגד מצד (Shunt‏), שם זה מטעה. נגד מצד אמיתי ממוקם במקביל לעומס, כך שחלק מהזרם מוסט סביב העומס ודרך הנגד. עם זאת, נגד חישת זרם בשימוש סטנדרטי ממוקם למעשה בטור עם העומס ולכן אינו מצד (Shunt‏) שלו. אף על פי כן, המונח "נגד מצד" משמש באופן אוניברסלי.

חישת צד-נמוך היא עקרונית הגישה הישירה ביותר, כאשר קצה אחד של הנגד מחובר להארקה והשני לצד הנמוך של העומס. זה מציע כמה יתרונות ברורים:

• המתח על פני הנגד מיוחס להארקה.
• המתח על פני הנגד בשני הדקי המגבר (מתח אופן-משותף) הוא נמוך.
• קל יחסית לתכנן אותו במעגל הספקה-יחידה.

עם זאת, ישנם סיבוכים בלתי נמנעים עם חישת צד-נמוך:

• העומס אינו מחובר עוד להארקה, דבר שיכול להיות בעל השלכות משמעותיות ברמת המערכת ולהשפיע על ביצועי כל חוג הבקרה המשתמש בערך הזרם הנמדד.
• קצר חשמלי מקרי בין העומס להארקה עלול להפעיל את העומס.
• סידור החישה יכול לגרום לחוגי הארקה.
• זרם עומס גבוה עקב קצר חשמלי לא יתגלה.

חישת צד-גבוה ממקמת את הנגד בין מקור הזרם להארקה, ומציעה את היתרונות הבאים:

• העומס מחובר להארקה, וזהו יתרון משמעותי ולעתים קרובות דרישת בטיחות.
• גוף העומס, כגון מנוע, יכול להיות מחובר פיזית וחשמלית לשלדת המערכת כהארקה משותפת.
• זה מונע הוספת התנגדות למסלול ההארקה של העומס הנמדד.
• העומס אינו מקבל אנרגיה גם אם יש קצר חשמלי בחיבור הספקת-הכוח.
• ניתן לגלות קצר מקו ההספקה החיובי להארקה.

עם זאת, ישנם חסרונות לחישת צד-גבוה:

• ה-CSA חייב לעמוד ב-CMV כניסה גבוה ובטרנזיינטי אופן-משותף (CM‏); חריגה ממגבלותיו עלולה לפגוע בביצועים ולגרום נזק אפשרי למגבר.
• יש להתאים את המתח הנמדד על פני הנגד למתח הפעולה של המערכת לצורך מדידה ושימוש.
• באופן כללי, יישום תצורת המעגל הנדרשת הוא מסובך יותר.

כרגיל, ההחלטה לגבי איזה מהם עדיף כרוכה בהערכת פשרות הנדסיות. עם זאת, ישנם מצבים רבים בהם חישת צד-גבוה היא האפשרות המעשית היחידה.

לדוגמה, קחו בחשבון את המכונית ואת העומסים החשמליים הרבים שלה, כגון מנועים. במכונית מודרנית טיפוסית יש לפחות 30 מנועים עבור פונקציות נלוות כגון בקרת חלונות אוטומטית ובקרת מיקום מושבים. רבים מהם מורכבים פיזית על שלדת המכונית, תושבות התמיכה או השלדה, אשר מתפקדים גם כהארקה חשמלית.

אמנם ניתן לבודד חשמלית עומסים אלה מאלמנטים מבניים של הרכב, אך בפועל הביצוע הוא קשה. זה דורש חלק נוסף במפרט החומרים (BOM), שלב ייצור נוסף, והבידוד עלול להישחק עם הזמן או להישכח שלא בכוונה כאשר החלק מוחלף. כמו כן, מכונאי עשוי לחבר לרגע את גוף המנוע לשלדה באמצעות מגע קצר ולקצר את מעגל זה.

אותם שיקולים חלים על עומסים שאינם מנועים כגון פונקציות מערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS), תת-מערכות בטיחות והתנגשות, התרעות וקונסולת הבידור והחיבוריות. יתר על כן, עם עומס שאינו מוארק, צמת הכבלים בנתיב החזרה מהעומס לסוללה מסובכת יותר ומועדת לכשל או לטעות אנוש.

פתרון מגבר אופטימלי

עבור מצבים בהם חישת צד-גבוה נדרשת או עדיפה, מגבר ספציפי-ליישום הוא הפתרון. דוגמה לכך היא ה-NCV7030DM2G014R2G (איור 2) CSA מורשה-רכב AEC-Q100 ממשפחת NCV7030‏ של onsemi.

איור 2: ה-NCV7030DM2G014R2G CSA מיועד עבור חישת זרם צד-גבוה בסביבות רכב. (מקור התמונה: onsemi)

ההתקן, המוצע במארז נטול-עופרת Micro8‏ (3 מ"מ ×‏ 3 מ"מ) או SOIC-8‏ (4 מ"מ ×‏ 5 מ"מ) (NCV7030D2G014R2G‏), פועל ממתח של V‏ 3‏ עד V‏ 5.5‏ ויש לו זרם רגיעה טיפוסי של mA‏ 1.5‏.

משפחת NCV7030 מציעה יחס דחיית אופן-משותף (CMRR) גבוה של dB‏ 85‏ (מינימום) ותחום מתחי כניסה אופן-משותף של V‏ 6‏- עד V‏ 80‏ (בפעולה) ו-V‏ 14‏- עד V‏ 85‏ (שרידות). ניתן לבצע מדידות זרם חד-כיווניות על פני נגד חישה ולספק הגבר קבוע של V/V‏ 14‏ עם שגיאת הגבר מקסימלית של ±0.3% על פני כל תחום הטמפרטורות שלו, מפרט חשוב בסביבת רכב קשה.

מגברי NCV7030 מציעים יותר מדחיית אופן-משותף גבוהה. כל אחד מהם מורכב מקדם-מגבר ומחוצץ, עם גישה ליציאה ולכניסה, בהתאמה, דרך פיני "גישור" A1 ו-A2 כדי לממש רשת סינון ביניים או לשנות את ההגבר.

יתר על כן, יש יותר ב-CSA טוב מאשר שמירה על ביצועים למרות CMV גבוה. התקני NCV7030 הם בעלי יחס דחיית ספק כוח (PSRR) גבוה של dB‏ 75‏ (מינימום), המבטיח פעולה אמינה גם בסביבות רועשות. מתח אופסט כניסה הנמוך שלהם של µV‏ 300‏± (מקסימום), יחד עם סחיפת טמפרטורה מינימלית, יוצרים התאמה טובה עבור יישומים מדויקים. כמו כן, רוחב פס של kHz‏ 100‏ הופך אותם לגמישים לשינויים מהירים בזרם.

הודות למתח אופסט כניסה נמוך, היציאה של ה-NCV7030 CSAs תהיה בתוך mV‏ 50‏ מהארקה כאשר לא זורם זרם דרך נגד המצד. כאשר זורם זרם, היציאה תעבור לחיובי, עד לתחום של mV‏ 100‏ ממתח ההספקה המיושם. תחום רחב זה משפר את יחס אות-לרעש (SNR) של המתח הנמדד.

ישנה מגבלת פעולה קטנה אחת. מגברי NCV7030 מחוברים פנימית להארקה, כך שהם יכולים למדוד זרם בכיוון אחד בלבד. זו אינה מגבלה חמורה, מכיוון שמרבית התכנים מוזני-סוללות ועם הספקת-כוח ביפולרית יש זרימת זרם חד-כיוונית בלבד.

כדי לפשט את התכן, ניתן לחבר את ההתקנים לאותו ספק-כוח כמו זה שהם מנטרים. אם יש צורך לגלות זרם קצר בספק-הכוח של העומס, אירוע העלול לגרום לספק-הכוח של העומס לצנוח לכמעט V‏ 0‏, יש להשתמש בספק-כוח נפרד.

התקני NCV7030 "כפי שהם" מספקים הגברה בהגבר קבוע ללא רכיבים נוספים, אך יישומים מסוימים עשויים לדרוש הגבר גבוה יותר או נמוך יותר. הארכיטקטורה של מגברים אלה עונה על דרישה זו באמצעות פיני A1 ו-A2.

לקבלת הגבר נמוך יותר, חיבור A1 ל-A2 והוספת נגד (_EXT‏R‏) מרשת זו להארקה יוצר רשת מחלק-נגדים עם הנגד הפנימי של kΩ‏ 100‏ (קילו-אוהם) (איור 3).

איור 3: הוספת נגד חיצוני יחיד (_EXT‏R‏) יוצרת רשת מחלק-נגדים עם הנגד הפנימי kΩ‏ 100‏ כדי להפחית את ההגבר של מגברי NCV7030. (מקור התמונה: onsemi)

לעומת זאת, ניתן להגדיל את ההגבר על ידי הוספת נגד חיצוני בתצורת משוב חיובי (איור 4). בשני מקרי ההגבר, נוסחאות אלגבריות פשוטות מקשרות את ערך הנגד החיצוני לערכי ההגבר המופחת או המוגדל הרצויים.

איור 4: הצבת הנגד החיצוני בחוג המשוב של מגבר NCV7030 מגדילה את ההגבר. (מקור התמונה: onsemi)

מה לגבי סינון?

יישומי חישת זרם רבים, כגון התקנות רכב ותעשייה, רועשים מטבעם. הרעש יכול לפגוע בתקינות אות הזרם הנקלט ובמתח היציאה של המגבר הנלווה. המתח הנמוך על פני נגד החישה מוסיף לאתגרים הקשורים לרעש.

למה מתח זה נמוך? קביעת גודל נגד החישה כרוכה בפשרות. מצד אחד, נגד בעל ערך גבוה יותר מספק ירידת מתח גדולה יותר ולכן גודל אות גדול יותר, מה שמשפר את יחס האות-לרעש (SNR) ואת הרזולוציה. מצד שני, נגד בעל ערך גבוה יותר זה מבזבז יותר הספק, מייצר יותר חום, ויש לו השפעה שלילית גדולה יותר על חוג העומס.

ביישומים רבים, כלל האצבע הוא להתאים את גודל הנגד לירידה של כ-mV‏ 100‏ כפשרה. ערך זה אומר שהנגד הוא לעתים קרובות רק 1‏ מיליאוהם (mΩ) או פחות, כך שהחיבורים אליו הופכים לחלק מחישובי מפל-המתח והמתח הנמדד.

הכניסה הדיפרנציאלית באמת של התקני NCV7030 מתאימה היטב הן עבור מחברים בעלי ארבעה חוטים בחיבור Kelvin‏ המפחיתים רעש והן עבור מחברים קונבנציונליים בעלי שני חוטים. בנוסף, הכניסה הדיפרנציאלית באמת דוחה רעש אופן-משותף, אשר קיים לעתים קרובות אפילו בחישת זרם צד-נמוך.

ייתכן שיישומים מסוימים ידרשו סינון בכניסת CSA. ניתן להשיג זאת בקלות על ידי הוספת שני נגדים (_FILT‏R‏) וקבל (_FILT‏C‏) בין נגד המצד לבין כניסות המגבר (איור 5).

איור 5: עבור סינון הכניסה נדרשים רק שני נגדים תואמים (_FILT‏R‏) וקבל (_FILT‏C‏) בכניסה ל-CSA‏. (מקור התמונה: onsemi‏)

שימו לב שסינון כניסה כזה הוא מסובך עקב ההתנגדות הנוספת של נגדי המסנן ואי-ההתאמה הנלווה בהתנגדויות ביניהם, העלול להשפיע לרעה על ההגבר, CMRR ומתח אופסט הכניסה. גיליון הנתונים מסביר כיצד לבחור ערכים אלה ואת השפעתם.

אפילו כאשר אין צורך בסינון כניסה, ייתכן שיידרש סינון של יציאת המגבר. סינון זה מיושם בקלות הודות לארכיטקטורה הפנימית "המפוצלת" של מגברי NCV7030. ניתן ליצור מסנן מעביר-נמוכים על ידי חיבור A1 ו-A2 והוספת קבל מהתצורה להארקה (איור 6, משמאל). זה יוצר מסנן נגד-קבל (RC) פשוט בעל קוטב יחיד באמצעות הנגד הפנימי של kΩ‏ 100‏, המציע ניחות של dB‏ 20‏ לכל דקדה (dB/decade‏). אם נדרשת הנחתה (Roll-off‏) גבוהה יותר, ניתן ליצור מסנן Sallen-Key‏ שני-קטבים עם ניחות של dB/dekade‏ 40‏ על ידי הוספת שני קבלים חיצוניים ונגד יחיד (איור 6, מימין).

איור 6: קבל יחיד הממוקם בין A1/A2 להארקה מניב מסנן חד-קוטבי (משמאל) עם ניחות של dB/decade‏ 20‏; נגד וקבל נוספים יוצרים מסנן שני-קטבים עם ניחות של dB/decade‏ 40‏ (מימין). (מקור התמונה: onsemi)

סיכום

חישת זרם צד-גבוה, שבה מוכנס נגד בעל ערך נמוך בין המקור לבין העומס, היא טכניקה סטנדרטית לקביעת הפרמטר הקריטי של זרם העומס ביישומים רבים, כגון מעגלי רכב. בעוד שזו גישה יעילה, היא גם מציבה אתגרים ביחס לביצועי ה-CSA הקשורים. כפי שהוצג, משפחת מגברי onsemi NCV7030 מותאמת עבור יישום ספציפי זה, עם טולרנס CMV גבוה ותכן שתי-דרגות המציע הגבר קבוע וניתן לכיוונון על ידי המשתמש, יחד עם אפשרות סינון הן בכניסה והן ביציאה.