Einführung

Verschiedene Industrie- und Automobilanwendungen wie On-Board-Ladegeräte, Solarwechselrichter, DC-Ladestationen (Säulen), Stromwandlungssystemeund Motorantriebe erfordern eine Isolierung, um die digitale Schaltung vor dem Hochspannungskreis zu schützen, der eine Messung durchführt. Zwei Möglichkeiten zur Durchführung der isolierten Strommessung für diese Anwendungen sind isolierte Shunt-basierte und magnetische (Hall- oder Flux-Gate) basierte Sensorik. In diesem Dokument wird der isolierte Verstärker Texas Instruments AMC3302 mit einzelner Stromversorgung mit einem beliebten Stromsensor mit geschlossenem Regelkreis verglichen (CLCS).

Technologie-Übersicht

Abbildung 1 Isolierte shunt-basierte Strommessung. Bei der isolierten Shunt-basierten Strommessung wird die Spannung an einem präzisen Inline-Widerstand, dem so genannten Shunt-Widerstand, gemessen.

Der Shunt-Widerstand muss sehr genau sein, damit die erwartete Spannung für den gelieferten Strom erzeugt wird, da jede Variation des erwarteten Widerstands direkt zu einem Verstärkungsfehler beiträgt. Der Vorteil der Shunt-basierten Strommessung besteht darin, dass sie branchenführende Genauigkeit, Immunität gegen magnetische Störungen, Skalierbarkeit und geringe Größe ermöglicht.

Abbildung 2 Hall-Basierter Sensor Mit Geschlossenem Regelkreis. Der CLCS verwendet einen Magnetkern zur Messung des Magnetfelds, das von dem Strom erzeugt wird, der durch den Primärleiter läuft. Das im CLCS enthaltene Magnetfeld-Sensorelement wird dazu verwendet, einen Kompensationsstrom bereitzustellen, der auf den Magnetkern angelegt wird. Dieser Kompensationsstrom erzeugt einen Fluss von gleicher Größe, jedoch in die entgegengesetzte Richtung des vom Primärleiter erzeugten Flusses. Dadurch wird ein Fluss von Null gemessen. Magnetische Strommessung ist anfällig für magnetische Interferenzen, die sich auf die Offset- und Linearitätsleistung des Bausteins auswirken können.

Weitere Informationen zum Vergleich der beiden Technologien finden Sie hier.

Test-Einrichtung

Abbildung 3 AMC3302 Blockschaltbild der Schaltkreis- und CLCS-Test-Einrichtung. Es wurde eine Testeinrichtung erstellt, um die Leistung dieser beiden Technologien direkt zu vergleichen. Daten wurden mit einer Gleichstromquelle, einer elektronischen Last und digitalen Multimetern für eine +/–85 A-fache Primärstromansteuerung bei drei verschiedenen Temperaturen – 40 °C, 25 °C und 85 °C – erfasst. Alle Messungen wurden gemäß IEEE488 automatisiert.

Bitte beachten Sie, dass der für die AMC3302-Schaltkreismessung verwendete 500 µΩ Shunt 1 und der für die Kontrollmessung verwendete 500 µΩ Shunt 2 keinen Änderungen der Umgebungstemperatur unterzogen wurden, weshalb der Shunt-Temperaturdrift-Fehler nicht in dieser Analyse berücksichtigt wird. Beide Shunts sind für eine Toleranz von ±0,25 %, einen Temperaturkoeffizienten von ±15 ppm/ °C und eine Verlustleistung von 20 W ausgelegt.

Abbildung 4 AMC3302 Schaltplan.

Der nachstehende Schaltplan zeigt die AMC3302 - und TLV6002- Schaltung, die für den Genauigkeitsvergleich verwendet werden. Kanal 1 des TLV6002 wurde verwendet, um eine über einen Widerstandsteiler erzeugte Referenzspannung zu puffern, während der Differenzausgang des AMC3302 über Kanal 2 von differenziell auf unsymmetrisch umgewandelt wurde. Somit hat der AMC3302-Schaltkreis eine identische Schnittstelle wie der CLCS; VDD, GND, VREF und VOUT.

Abbildung 5 AMC3302 Leiterplatte.

Unten sehen Sie die AMC3302-Leiterplatte (PCB). Die Leiterplatte wurde so konzipiert, dass die AMC3302-Schaltung auf dieselbe x-/y-Fläche wie der CLCS passt, 13,4 mm x 21,9 mm. Die AMC3302-Platine ist in Bezug auf die Höhe viel kleiner; 2,6 mm im Vergleich zu 16 mm beim CLCS, eine Reduzierung der Höhe um 84 %.

Genauigkeitsvergleich

Abbildung 6 zeigt die Genauigkeitsergebnisse für die +/–85 A-Primärstromabtastung über die Temperatur in Bezug auf Fehler als Prozentsatz des Vollausschlags nach einer 25 °C-Offset-Kalibrierung. Die Ergebnisse der AMC3302-Schaltung werden in Rottönen und der CLCS in Blau angezeigt. Die AMC3302-Schaltung arbeitet sehr genau über den gesamten Strom- und Temperaturbereich ohne Verstärkungskalibrierung, besser als 0,1 %. Der CLCS weist im Vergleich zur AMC3302-Schaltung eine schlechtere Verstärkungsfehler-Drift und Linearitätsleistung auf, was zu einem Gesamtfehler von mehr als 0,5 % führt. Die AMC3302-Schaltung bietet eine Genauigkeitsverbesserung von mehr als 5x im Vergleich zum CLCS über den gesamten Strom- und Temperaturbereich.

Abbildung 6 Genauigkeitsvergleich für AMC3302-Schaltungen und Stromsensoren im geschlossenen Regelkreis nach Offset-Kalibrierung.

Unten ist eine Vergleichstabelle der absoluten maximalen Fehler dargestellt.

Fazit

Die nachstehende Tabelle fasst den Vergleich der AMC3302-Schaltung und des CLCS zusammen. Bei Systemen, die eine branchenführende Genauigkeit erfordern, bietet die AMC3302-Schaltung einen klaren Vorteil im Vergleich zum CLCS. Die Größe der AMC3302-Schaltung, die für diesen Vergleich verwendet wird, ist gleich groß in Bezug auf x- und y-Abmessungen, und zeigt einen klaren Vorteil in Bezug auf die Höhe, z. Der AMC3302-Schaltkreis bietet außerdem Immunität gegen magnetische Störungen und Skalierbarkeit.