Industrie- und Automobilanwendungen wie On-Board-Ladegeräte, Stringwechselrichter und Motorantriebe erfordern eine isolierte Strommessung, um den Rückkopplungsalgorithmus für den Stromregelkreis anzusteuern und gleichzeitig die digitale Schaltung vor dem Hochspannungsschaltkreis zu schützen, der eine Funktion ausführt.

Aufgrund ihrer hohen Leistung eignen sich isolierte Verstärker hervorragend zur Übertragung von Strommessdaten über die Isolierungsbarriere. Die Auswahl des richtigen isolierten Verstärkers ist jedoch nicht immer ganz einfach. Bei der Auswahl eines isolierten Verstärkers sind diverse Aspekte zu berücksichtigen, beispielsweise die Spezifikationen der Isolierung, die Highside-Speisung und der Eingangsspannungsbereich. Dieser Artikel behandelt jedes dieser Entscheidungskriterien im Detail, um Ihnen bei der Auswahl eines isolierten Verstärkers zu helfen, der für ein bestimmtes System am besten geeignet ist.

Die erste Entscheidung bei der Auswahl eines Bausteins für die isolierte Strommessung besteht darin, den erforderlichen Isolierungsgrad zu ermitteln. Es gibt zwei Stufen der Isolation: die grundlegende und die verstärkte Isolierung. Die erforderliche Isolationsstufe wird durch die Systemarchitektur und Endgeräte-Standards wie IEC 61800 (International Electrotechnical Commission) für Motorantriebe und IEC 60601 für medizinische Geräte festgelegt.

Hier sind die wichtigsten Spezifikationen , die die Leistung der Isolierungsbarriere quantifizieren:

• Die Arbeitsspannung der Isolierung ist die in der quadratischen Wurzelmittelspannung definierte maximale Spannung, die der isolierte Verstärker während seiner gesamten Lebensdauer kontinuierlich verarbeiten kann.
• Die Gleichtakt-Transientenfestigkeit beschreibt die maximale Änderungsrate der Massepotenzialdifferenz, die der isolierte Verstärker fehlerfrei überstehen kann.
• Die transiente Überspannung der Isolierung ist die Spannung, die in der Spitze-zu-Spitze-Spannung definiert ist, die der isolierte Verstärker 60 Sekunden lang tolerieren kann.
• Die Bemessungsgröße der Stoßspannung (Impulsspannung) gemäß IEC 60065 ist die 1,2-/50-µs-Spannungsmagnitude, die der isolierte Verstärker ohne Ausfall tolerieren kann.

Einige Endgerätehersteller lassen ihre Produkte von Dritten zertifizieren, um sicherzustellen, dass sie die Isolierungsspezifikationen erfüllen. Isolierte Verstärker werden nicht gemäß diesen Spezifikationen selbst gemessen, da sie Komponenten im Inneren von Endgeräten sind. Für sie gelten die Standards für Endgeräte nur indirekt. Stattdessen werden Komponenten anhand von Zertifizierungen auf Bausteinebene, wie z. B. durch das Deutsche Institut für Normung e.V., den (DIN) Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) V 0884-11 und die Underwriters Laboratories (UL) 1577 gemessen. Wie in den IEC-Normen angegeben, erfordern Bausteine, die Anforderungen gemäß den geltenden Normen auf Komponentenebene erfüllen und gleichwertige Anforderungen haben, keine separate Evaluierung. Dies gilt auch für die Normen des Comité International Spécial des Perturbations Radio (CISPR) für elektromagnetische Störungen (EMI). Siehe [1] zur Leistung der abgestrahlten Emissionen für isolierte Verstärker von Texas Instruments (TI).

Für eine optimale Leistung werden das Layout und die Anwendungspraktiken, wie im bausteinspezifischen Datenblatt dargestellt, empfohlen. [2] umfasst eine Liste der Zertifizierungen auf Bausteinebene für isolierte Verstärker von TI.

Die nächste Entscheidung bei der Auswahl eines isolierten Verstärkers ist die Frage, wie er auf der Highside der Isolierungsbarriere mit Strom versorgt werden soll.

Denken Sie beim Design dieses Teils der Schaltung daran, dass die Highside-Versorgungsspannung mit der Gleichtakt-Eingangsspannung des gemessenen Stroms potenzialfrei sein muss. Das bedeutet, dass für mehrphasige Strommessungen jede einzelne Phase einen eigenen isolierten Verstärker mit eigener Highside-Stromversorgung benötigt. Ein falsches Design des Spannung führenden Stromversorgungsschaltkreises kann dazu führen, dass die absoluten maximalen analogen Eingangsspannungswerte überschritten werden, was zu dauerhaften Schäden am Baustein führen kann.

Es gibt drei wichtige Designoptionen für die Stromversorgung der Spannung führenden Seite eines isolierten Verstärkers.

Hier die erste Designoption: Entwickeln Sie einen diskreten isolierten Transformatorschaltkreis, der die Spannung von der Lowside an die Highside des isolierten Verstärkers liefern kann. Bei dieser Methode müssen Sie einen isolierten Transformator, einen Transformatortreiber wie den SN6501 von TI und einen Low-Dropout-Regler wie den TLV704 von TI auswählen. Dieser Ansatz ist zwar einfach zu entwickeln, erfordert jedoch eine große Platinenfläche und etliche verschiedene Komponenten. Abbildung 12 zeigt eine Beispielimplementierung im oberen Teil des Evaluierungsmoduls (EVM) AMC1300.

Die zweite Designoption, dargestellt in Abbildung 13, verwendet die potenzialfreie Highside-Gate-Treiberversorgungsspannung (normalerweise 15 V) und einen Shunt-Regler wie eine Zener-Diode, um die Spannung bis zu einem unteren Wert von 5 V zu regeln. Beispiele für dieses Design sind in den Datenblättern des Bausteins dargestellt. Hier finden Sie beispielsweise den verstärkten isolierten Verstärker AMC1300B-Q1. Diese Designoption ist zwar wirtschaftlich und effektiv, aber Layoutbeschränkungen und parasitäre Impedanzen zwischen der Gate-Treiber-Versorgungs-Masse-Referenz und der Verstärker-Masse-Referenz können zu Fehlern bei der Eingangsspannung und Transientenfehlern führen.

Die dritte und einfachste Designoption, wie in Abbildung 14 gezeigt, verwendet einen Baustein mit einem integrierten DC/DC-Wandler. Isolierte Verstärker mit integrierten DC/DC-Wandlern wie dem AMC3302 von TI, helfen dabei, die Größe und die Komplexität der Lösung erheblich zu reduzieren. Sie können mit diesem Design die Systemkosten senken. Es bietet eine hervorragende Wandlungseffizienz und ermöglicht die flexible Platzierung des Shunt-Widerstands.[4]

Die letzte Entscheidung bei der Auswahl eines Isolierverstärkers ist die Auswahl des Eingangsspannungsbereichs des Bausteins. Die meisten isolierten Verstärker, die für die Strommessung optimiert sind, verfügen über Optionen für einen linearen Eingangsspannungsbereich von ±50 mV oder ±250 mV. Die Bestimmung des richtigen Eingangsspannungsbereichs für die Anwendung hängt von der Größe des zu messenden Stroms und der Größe des Shunt-Widerstands ab. Im Allgemeinen benötigen Systeme mit hohen Stromstärken in der Regel einen isolierten Verstärker mit einem kleineren Eingangsbereich, wie z. B. ±50 mV. Systeme mit relativ geringen Stromstärken können von dem etwas größeren Eingangsspannungsbereich von ±250 mV profitieren, der ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht

Bei der Auswahl des Eingangsspannungsbereichs sind zwei Gleichungen zu beachten: Das Ohmsche Gesetz (siehe Gleichung 1) und die in einem Widerstand verbrauchte Leistung (siehe Gleichung 2):

Diese beiden Gleichungen regeln den Kompromiss zwischen der Maximierung des Vollausschlag-Eingangsbereichs des isolierten Verstärkers und der Menge der im Shunt-Widerstand verbrauchten Leistung. Gleichung 1 berechnet den Spannungsabfall am Shunt-Widerstand, wenn Werte für Strom und Widerstand eingegeben werden. Versuchen Sie, diesen Spannungsbereich so nah wie möglich an den vollen Eingangsspannungsbereich des isolierten Verstärkers anzupassen, da eine Abweichung zwischen den beiden Werten zu einem direkten Verlust bei der Auflösung führt.

Gleichung 2 quantifiziert die im Shunt-Widerstand verbrauchte Leistung. Dies ist wichtig, da Shunt-Widerstände durch Selbsterwärmung zu driften beginnen (gemäß ihrer Temperaturdrift-Spezifikation), sobald die über den Widerstand abgegebene Leistung die Hälfte der Nennverlustleistung erreicht, was zu einem Verstärkungsfehler führt. Um eine übermäßige Shunt-Drift durch Eigenerwärmung zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Nennverlustleistung des Shunt-Widerstands auf höchstens ein Achtel der Nennverlustleistung zu begrenzen.

Wenn zum Beispiel ein Nennstrom von 18 A und ein maximaler Strom von 52 A gefordert wird. Mit dem Wissen, dass es zwei Optionen für den linearen Eingangsspannungsbereich (±50 mV und ±250 mV) und den maximalen Strom gibt, es ist möglich, für beide Optionen ideale Shunt-Widerstandswerte zu berechnen, um den vollen Eingangsbereich zu erreichen:

Ermitteln der nächstgelegenen Standard-Shunt-Widerstandswerte:

Durch Einstellen dieser Werte an Gleichung 1 kann der resultierende Spannungsabfall am Shunt-Widerstand berechnet werden:

Beachten Sie, dass der Widerstandswert aus der Idealberechnung zum nächstgelegenen Standardwert leicht angestiegen ist, was zu einem Vollausschlag-Eingangsspannungsbereich führt, der größer ist als der lineare Vollausschlag-Eingangsbereich des isolierten Verstärkers. Das bedeutet, dass bei der vollen Stromstärke die resultierende Spannungsgröße nicht mehr im linearen Bereich des Eingangsspannungsbereich des isolierten Verstärkers liegt. Isolierte Verstärker verfügen oft über einen zusätzlichen Eingangsspannungsbereich, der über den linearen Eingangsspannungsbereich hinausgeht, bevor sie anfangen zu klammern. Innerhalb dieses Bereichs – in der Regel bis zu ±280 mV für ±250-mV-Bausteine und ±56 mV für ±50-mV-Bausteine – ist die Genauigkeit des isolierten Verstärkers nicht im Datenblatt angegeben. Der isolierte Verstärker gibt jedoch weiterhin eine Spannung mit einer Genauigkeit aus, die dem linearen Bereich ähnelt. Dies kann für einige Anwendungen akzeptabel sein, wenn die Genauigkeitsanforderung für die maximale Stromstärke im Vergleich zu den Nennwertmessungen gelockert wird.

Verwenden Sie als Nächstes die Standardwiderstandswerte und die Nennstromstärken, um die Verlustleistung des Shunt-Widerstands zu berechnen, wobei angenommen wird, dass die Nennleistung des Shunt-Widerstands 3 W beträgt.

Für die Berechnung des ±50-mV-Bausteins beträgt die Nennverlustleistung weniger als ein Achtel der Verlustleistung. Dieser Shunt-Widerstand sollte beim Messen des Nennstroms nicht wesentlich durch Eigenerwärmung driften. Die Berechnung für den ±250 mV-Baustein führt zu einer Verlustleistung, die mehr als die Hälfte der Nennverlustleistung beträgt, was bedeutet, dass bei der Messung des Nennstrombereichs eine signifikante Temperaturdrift bestehen kann.

Zusätzliche Maßnahmen können ergriffen werden, um die Wärmeableitung im Shunt-Widerstand zu reduzieren. Sie können z. B. größere Platinenebenen formen oder Kühlkörper oder Lüfter verwenden. Bei Anwendungen mit sehr hohen Strömen kann der Eingangsbereich maximiert werden, indem ein Operationsverstärker verwendet wird, um das Eingangssignal so zu verstärken, dass es dem vollen Eingangsbereich des isolierten Verstärkers entspricht. Dieses Verfahren wird in [5] verwendet.

Für die meisten Anwendungen, die hohe Nennstromstärken messen, empfiehlt es sich, einen isolierten Verstärker wie den AMC1302 oder AMC3302 von TI mit einem kleineren Eingangsspannungsbereich von ±50 mV zu verwenden.

Im letzten Schritt wird bestätigt, dass die Verlustleistung bei maximaler Stromstärke die Nennverlustleistung des Shunt-Widerstands nicht überschreitet, da eine Überschreitung der Nennverlustleistung den Shunt-Widerstand dauerhaft beschädigen könnte.

Um Messergebnisse ähnlich dem Beispiel anzuzeigen, siehe [6].