Как измерить ток и мощность для лучшего контроля состояния системы

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2018

Lou Frenzel

Electronic Design

Используемые чаще всего для защиты от перегрузки по току, токоизмерительные усилители теперь проникают во множество приложений, включая автомобильные электронные предохранители и устройства управления трехфазными двигателями

Если вы ищете способ измерения тока и мощности, потребляемых схемой, вы должны знать о токоизмерительных усилителях (current-sense amplifier – CSA). CSA представляет собой специализированный операционный усилитель (ОУ) в дифференциальном включении с интегрированными прецизионными резисторами, определяющими его коэффициент усиления. Наиболее распространенным их применением является защита от перегрузки по току в широком спектре устройств. С помощью таких микросхем схему защиты легко сделать компактной и недорогой.

Токоизмерительные усилители

Базовая конфигурация схемы приведена на Рисунке 1. ОУ подключен как дифференциальный усилитель. Сопротивления входных резисторов и резисторов обратной связи точно согласованы, чтобы обеспечить хорошее подавление синфазного сигнала. Номиналы резисторов определяют усиление схемы. Обычно в семействе CSA выпускаются приборы с несколькими коэффициентами усиления. Схема активируется сигналом на входе разрешения (EN).

Рисунок 1.	Токоизмерительный усилитель представляет собой прецизионный дифференциальный ОУ с размещенными на общем кристалле резисторами, определяющими коэффициент усиления.

Ключевой особенностью CSA является способность работать с синфазными напряжениями, превышающими напряжения шин питания. Некоторые устройства перекрывают диапазон от –16 В до +80 В. Еще одна характерная особенность CSA – ультранизкое входное напряжение смещения нуля Чем ниже уровень этого источника ошибок, тем выше достижимая точность измерений. Хорошая температурная стабильность, также присущая CSA, обеспечивается интеграцией резисторов и усилителя на одном кристалле.

Измерительные конфигурации

Токоизмерительные усилители в основном используются для защиты от перегрузки по току. Однако они могут применяться также при измерениях тока для расчетов мощности, или для формирования точного сигнала обратной связи в замкнутых системах управления.

Наиболее распространенные схемы измерения тока приведены на Рисунке 2. Токоизмерительный резистор R_S включен последовательно с линией питания, отдающей ток в нагрузку. CSA подключен параллельно этому резистору, сопротивление которого очень мало, и не искажает результатов измерений. Сопротивление резистора известно и используется в расчетах. CSA измеряет падение напряжения на резисторе, на основании которого можно вычислить величину протекающего через него тока.

Обратите внимание на Рисунок 2а: резистор можно включить в нижнее плечо линии питания между нагрузкой и землей. Альтернативный способ включения между шиной питания и нагрузкой показан на Рисунке 2б. Низкое сопротивление измерительного резистора, высокая точность коэффициента усиления CSA и низкое напряжение смещения помогают обеспечить точное измерение тока. Как правило, выход CSA подключается к АЦП – внутреннему АЦП микроконтроллера, или к отдельной микросхеме. Выход АЦП связан шиной I²C с микроконтроллером, принимающим решение об измеренном токе.

Рисунок 2.	Токоизмерительный резистор можно включить между нагрузкой и землей (а) или между шиной питания и нагрузкой (б).

Сопротивление измерительного резистора очень мало и не оказывает ощутимого влияния на ток нагрузки. Кроме того, падение напряжения на этом резисторе должно быть значительно ниже, чем входное напряжение смещения CSA. Это гарантирует хорошую точность измерений.

Например, на токоизмерительном резисторе с сопротивлением 0.001 Ом при токе нагрузки 20 А падает напряжение 20 мВ. Как правило, это намного больше, чем напряжение смещения CSA, которое обычно находится в интервале от ±10 мкВ до ±150 мкВ. Выходное напряжение токоизмерительного резистора в типичном случае усиливается CSA в 100 раз до 2 В, что соответствует входному диапазону АЦП.

Рисунок 3.	Для обнаружения перегрузки по току используется компаратор, пороговое напряжение которого задано резистивным делителем.

Еще одна популярная конфигурация схемы с CSA показана на Рисунке 3. Выход CSA подключен к входу компаратора. На другой вход компаратора с резистивного делителя подается фиксированное напряжение. Это напряжение определяет порог срабатывания защиты от перегрузки по току. Когда значение измеренного тока превышает установленный порог, выход компаратора переключается, сигнализируя о необходимости выполнения определенных действий. Этот сигнал поступает на вход общего назначения (GPIO) микроконтроллера.

Другие приложения

После того как разработчики узнают о них, CSA находят свой путь во множество других приложений. Одним из примеров такого приложения может служить электронный предохранитель в электрических системах автомобиля, предназначенный для замены в блоках плавких предохранителей устаревающих стандартных устройств, которые имеют низкую точность и большое время срабатывания. По мере интеграции в транспортные средства нового экзотического электронного оборудования, все больше устройств начинает требовать более точной и быстрой защиты. Электронный предохранитель включается между аккумуляторной батареей и нагрузкой, и может быть сконфигурирован так, чтобы пропускать ток в любом направлении.

Рисунок 4.	На этой схеме CSA контролируют выходы трехфазного инвертора на IGBT, управляющего двигателем переменного тока.

Еще одни случай, требующий контроля перегрузки по току и защиты от нее – управление трехфазными двигателями. Пример управления мотором от трехфазного инвертора показан на Рисунке 4. Выходной ток каждого из трех IGBT полумостов можно легко контролировать с помощью CSA. Выходы CSA мультиплексируются на вход АЦП, который отправляет результаты измерений в микроконтроллер.

Примеры микросхем

Типичным примером CSA может служить серия микросхем INA190, выпускаемая компанией Texas Instruments. Эти мониторы токового шунта с выходами по напряжению широко используются в цепях защиты от перегрузок по току, при точных измерениях тока для оптимизации систем или в замкнутых системах регулирования. Устройства могут измерять на шунте синфазные напряжения –0.1 В до +40 В, независимо от величины напряжения питания. Диапазон напряжений питания составляет от 1.7 В до 5.5 В.

Мониторы серии INA190 поставляются с коэффициентами усиления 25, 50, 100, 200 и 500 В/В, ошибка которых не превышает ±0.3%. Низкое напряжение смещения, максимальное значение которого составляет ±15 мкВ, позволяет снизить измеряемое на шунте напряжение до 10 мВ. Эти устройства могут использоваться для контроля тока как в верхнем, так и в нижнем плече нагрузки. Их выходы обычно подключаются к АЦП. Микросхемы выпускаются в корпусах UQFN или SC70.

Для контроля перегрузки по току с помощью компаратора требуется отдельная микросхема, увеличивающая стоимость печатной платы. Альтернативой может служить микросхема INA300 компании TI – устройство, объединяющее CSA и компаратор. Для установки порога защиты необходим лишь один внешний резистор. Выход INA300 рассчитан на подключение к входу общего назначения микроконтроллера. Эта микросхема, не имеющая точного выхода измеренного тока, значительно снижает стоимость и размеры печатной платы.

Материалы по теме