Designziele

Designbeschreibung

Einige Anwendungen benötigen eine Schaltung zur Messung kleiner Nennströme bei gleichzeitig hohem Kurzschlussstrom, wie zum Beispiel Leistungsschalter. Dieses Schaltungsdesigndokument beschreibt eine isolierte Strommessschaltung, welche Nennlastströme von ±10 mA bis ±10 A genau messen kann, und dabei einem Kurzschlussstrom von bis zu ±200 A standhält. Für die Zwecke dieser Schaltung nehmen Sie an, dass der Ausgang mit einem unsymmetrischen 3,3 V-ADC verwendet wird. z. B. eine, die in einem MSP430 integriert ist. Die Isolierung zwischen dem gemessenen Eingangsstrom und dem ADC wird mit einem isolierten Verstärker (AMC1302) erreicht. Bei einem 1 mΩ-Shunt-Widerstand erzeugt der erwartete minimale Nennstrom ein ±10 µV-Signal, ein Signal, das aufgrund der Totzone des Delta-Sigma-Modulators zu klein ist, um eine genaue Auflösung nahe einem Spannungseingang nahe Null zu erreichen. Um dies zu beheben, verwendet der Schaltkreis einen 2-Kanal-Operationsverstärker (TLV9002), der das Signal um eine Verstärkung von 5 V/V verstärkt und die Gleichtaktspannung auf 1 V stellt. Dadurch wird nicht nur der minimale Nennstrom aus der Totzone entfernt, sondern auch der maximale Nennstrom erhöht, um dem linearen Vollausschlag-Eingangsbereich des isolierten Verstärkers zu entsprechen. Der lineare Vollausschlag-Eingangsbereich des isolierten Verstärkers beträgt ±50 mV bei einem differenziellen Ausgangsspannungshub von ±2,05 V bei einer Gleichtaktspannung von 1,44 V und einer festen internen Verstärkung von 41 V/V. Auf der Ausgangsseite des isolierten Verstärkers wird ein zweiter 2-Kanal-Operationsverstärker (TLV9002) verwendet, bei dem: der erste Kanal wird verwendet, um die unsymmetrische Gleichtaktspannung auf 1,65 V einzustellen, und der zweite Kanal wandelt das differenzielle Ausgangssignal vom isolierten Verstärker in ein unsymmetrisches Signal um, das mit einem unsymmetrischen 3,3 V-ADC verwendet werden kann.

Designschritte

1. Bestimmen Sie den geeigneten Shunt-Widerstandswert anhand des maximalen Nennstroms.
   $R_{SHUNT} = \frac{V_{inMax}}{I_{inMax}} = \frac{50mV}{10A} = 5 m\Omega$
2. Da dieser Shunt-Widerstand in der Lage sein muss, einem 200 A-Kurzschlussstrom standzuhalten, reduzieren Sie den Shunt-Widerstand um einen Faktor von 5, der in Schritt 6 kompensiert wird. Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während des Betriebs mit maximalem Nennstrom.
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMax}}^2 \times R_{SHUNT} = 100 A^2 \times 1 m\Omega = 0.1 W$

   Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während des Betriebs mit minimalem Nennstrom.

   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMin}}^2 \times R_{SHUNT} = 0.1 {mA}^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 0.1 \mu W$
3. Bestimmen Sie die Verlustleistung des Shunt-Widerstands während eines Kurzschlusses. Vergewissern Sie sich, dass die ausgewählte kurzzeitige Überlastspezifikation (normalerweise 5 × nominal) der durch den Kurzschluss abgegebenen Leistung standhalten kann.
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inShort}}^2 \times R_{SHUNT} = \mathrm{40,000} A^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 40 W$

   Wählen Sie einen Shunt-Widerstand mit einer um den Faktor 5 reduzierten Verlustleistung. Wenn also die kurzfristige Überlastanforderung 40 W beträgt, dann ist die Shunt-P-_{Verlustleistung} = 8 W im analogen Designjournal Design considerations for isolated current sensing zu finden.

4. Kanal 1 der TLV9002_IN wird verwendet, um die 1 V-Gleichtaktspannung des unsymmetrischen Ausgangs von Kanal 2 der TLV9002_IN einzustellen. Die 1 V-Ausgangsspannung von Kanal 1 wird ebenfalls an den PLUS-Eingang des AMC1302 gesendet. Mit einer 5 V-Versorgung kann ein einfacher Widerstandsteiler verwendet werden, um 5 V auf 1 V zu teilen. Unter Verwendung von 4 kΩ für R₁kann R₂ mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
   $R_2 = \frac{V_{CM} \times R_1}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.00 V \times 4000 \mathrm{\Omega }}{5.00 V - 1.00 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
5. Kanal 2 von TLV9002_IN wird verwendet, um die Spannung vom Shunt-Widerstand zu verstärken, sodass der gesamte Eingangsspannungsbereich des AMC1302 zum Messen des maximalen Nennstrombereichs genutzt wird. Bei einem Shunt-Widerstand von 1 mΩ und einem maximalen Nennstrom von ±10 A beträgt die Ausgangsspannung des Shunt-Widerstands ±10 mV. Da die maximale Eingangsspannung des AMC1302 ±50 mV beträgt, muss der Ausgang des Shunt-Widerstands um 5 V/V verstärkt werden. Während R3|R4 bei 1 kΩ gehalten wird, kann der Widerstandswert von R5|R6 mit der folgenden Gleichung ermittelt werden.
   $Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right)=\frac{R_{\mathrm{5,6}}}{R_{\mathrm{3,4}}} ;{ R}_{\mathrm{5,6}}=Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right) \times R_{\mathrm{3,4}}=5 \raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. \times 1 k\mathrm{\Omega }=5 k\mathrm{\Omega }$
6. Vergewissern Sie sich, dass die absoluten maximalen Spannungsgrenzwerte am Eingang von AMC1302 bei einem Kurzschluss mit dem ausgewählten Shunt-Widerstand nicht verletzt werden. Ein Kurzschlussstrom von 200 A führt dazu, dass eine Differenzspannung von 1 V an den AMC1302 angelegt wird. Da der Eingangsgleichtakt auf 1 V eingestellt ist, werden am negativen Eingang des AMC1302 maximal 2 V bezüglich GND1 angelegt.
   $V_{inAMC} = 200 A \times 0.001 \mathrm{\Omega }\mathrm{ }\times \mathrm{ }5\mathrm{ }\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. = 1 V$

   Die absolute maximale Eingangsspannung des AMC1302 ist 500 mV höher als die High-Side-Versorgungsspannung (wie im Datenblatt Verstärker mit verstärkter Isolierung für den Präzisionseingang AMC1302 mit ±50 mV angegeben). Bei einer High-Side-Versorgungsspannung von 5 V wird die absolute maximale Eingangsspannung nicht verletzt.

7. Kanal 1 der TLV9002_OUT wird verwendet, um die 1,65 V-Gleichtaktspannung des unsymmetrischen Ausgangs von Kanal 2 der TLV9002_OUT einzustellen. Mit einer 3,3 V-Versorgung kann ein einfacher Widerstandsteiler verwendet werden, um 3,3 V auf 1,65 V zu teilen. Unter Verwendung von 1 kΩ für R₇ kann R₈ mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
   $R_8 = \frac{V_{CM} \times R_7}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.65 V \times 1000 \mathrm{\Omega }}{3.3 V - 1.65 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
8. Während der TLV9002 ein Rail-to-Rail-Operationsverstärker ist, kann der Ausgang eines TLV9002 nur maximal 55 mV von den Versorgungsschienen schwingen. Aus diesem Grund kann der unsymmetrische Ausgang von TLV9002_OUT von 55 mV auf 3,245 V (3,19 V_pk-pk) schwingen.
9. Die Ausgänge V_OUTP und V_OUTN des AMC1302 sind 2,05 V_pk-pk, 180 Grad phasenverschoben und haben eine Gleichtaktspannung von 1,44 V. Daher beträgt der Differenzausgang ±2,05 V oder 4,1 V_pk-pk.

   Um innerhalb der Ausgangsbeschränkungen von TLV9002_OUT zu bleiben, muss der Ausgang des AMC1302 um den Faktor 3,2 / 4,1 gedämpft werden. Bei R₉ = R₁₀ und R₁₁ = R₁₂ kann für die Berechnung von R₁₁ und R₁₂ die folgende Übertragungsfunktion für die Differenzstufe zur unsymmetrischen Stufe verwendet werden.

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\mathrm{ }\left({\mathrm{V}}_{OUTP}-{\mathrm{V}}_{OUTN}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{9,10}}}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}\mathrm{ }$
10. Unter Verwendung des zuvor berechneten Ausgangsspannungshubs von TLV9002_OUT und der Einstellung R₉ und R₁₀ auf 10 kΩ können R₁₁ und R₁₂ mit der folgenden Gleichung auf 7,8 kΩ berechnet werden.
    $3.2=\mathrm{ }\left(2.465\mathrm{V}-415\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{10k\mathrm{\Omega }}\right)+1.65$

    Mit standardmäßigen Widerstandswerten von 0,1 % kann ein Widerstand von 7,8 kΩ verwendet werden. Dies ermöglicht den maximalen Ausgangsspannungshub innerhalb der Grenzen des TLV9002.

11. Die Kondensatoren C₁ und C₂ sind parallel zu den Widerständen R₁₁ und R₁₂ angeordnet, um Hochfrequenzsignale zu begrenzen. Bei R₁₁ = R₁₂ und C₁ = C₂ kann die Grenzfrequenz mit der folgenden Gleichung berechnet werden.
    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{1,2}}}$

    Wenn C₁ = C₂ = 1 nF und R₁₁ = R₁₂ = 7800 Ω ist, kann die Grenzfrequenz auf 20,414 kHz berechnet werden.

    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 7800\mathrm{\Omega }\times 1\mathrm{n}\mathrm{F}}=20.414\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}$

Designsimulationen

DC-Simulationsergebnisse

Die Simulationsergebnisse zeigen die simulierten DC-Eigenschaften der Spannung über den Shunt, den differenziellen Eingang/Ausgang des AMC1302 und den unsymmetrischen Ausgang des Verstärkers TLV9002 von -10 A bis 10 A.

Simulationsergebnisse

Gezeigt wird eine Simulation des Schaltkreises während eines Kurzschlussereignisses, indem gezeigt wird, wie die Ein- und Ausgänge bei ±200 A reagieren. Die roten und blauen Linien, die durch die Diagramme gehen, markieren die Punkte, an denen der Ausgang des AMC1302 mit dem Clipping beginnt. Von diesem Punkt an besteht der Zweck der Schaltung darin, den Betrieb nach dem Kurzschlussereignis fortzusetzen. Im Abschnitt Designschritte wurden die Werte für Verstärkung und Shunt-Widerstand auf der Highside des AMC1302 gewählt, um Schäden während dieses Ereignisses zu vermeiden. In der folgenden Simulation werden diese Optionen validiert: Die maximale Eingangsspannung, die beim Kurzschlussereignis an den AMC1302 eintritt, beträgt ±1 V und ist damit niedriger als die absoluten Grenzdaten des Bauteils. Daher bestätigt die Simulation, dass der Schaltkreis auch nach dem Kurzschlussereignis weiterarbeitet.

Simulation eines Kurzschlussereignisses

Sinuswellen-Simulationsergebnisse

Die Sinuswellen-Simulation zeigt den Ausgang des Shunts, den differenziellen Eingang und Ausgang des AMC1302 und den unsymmetrischen Ausgang des TLV9002 als Reaktion auf ein Sinussignal mit einer Amplitude von -10 A bis 10 A. Der Differenzausgang des AMC1302 beträgt ±2,05 V_pk-pk wie erwartet. Der unsymmetrische Ausgang beträgt 3,1 V_pk-pk und schwingt von 55 mV auf 3,245 V.

Sinuswellen-Simulation

Empfohlene isolierte Verstärker

Design alternativer isolierter Verstärker