Семейство изделий компании Texas Instruments для интегрированного измерения тока

Измерение тока является ключевой функцией во многих приложениях, например, в процессах управления электродвигателями, инверторах солнечной энергии, ветроэнергетических установках и при управлении технологическими процессами. Большинство из этих приложений, однако, испытывает сильный ценовой прессинг. Именно поэтому в 70-80% приложений применяются шунтирующие резисторы. С другой стороны, если ток слишком велик, шунтирование неприменимо. В таких случаях шунты заменяются индуктивными датчиками или датчиками Холла. Компания Texas Instruments представляет семейство изделий, охватывающее все подобные применения.

Приложения для управления электродвигателями обычно разделяются на два типа. Во-первых, это может быть реализация комплексной системы, предусматривающей все функции. В таком случае используется централизованное аналого-цифровое преобразование. Преобразователи такого типа обычно построены по принципу последовательных приближений, поскольку при этом достигается лучшее соотношение быстродействия и стоимости. Примером подобного комплексного аналогового входного каскада управления электродвигателями служат устройства ADS7869 или VECANA01 производства компании Texas Instruments. Однако централизованный преобразователь должен быть оснащен изолированными датчиками (индуктивными датчиками или датчиками Холла для измерения тока).

Рис. 1. В приложениях для управления электродвигателями используется измерение тока

Модульные системы управления, в свою очередь, имеют главный контроллер и дополнительные модули для оптимизации системы управления в соответствии с требованиями применения (модуль кодера, модуль резольвера и т.д.). Обычно в состав каждого модуля встроен преобразователь. Таким образом, преобразователь можно установить непосредственно на стороне высокого напряжения электродвигателя и сократить затраты за счет применения шунтирующих резисторов. Здесь применяются интегрирующие преобразователи (сигма-дельта модуляторы), поскольку они обеспечивают высокое разрешение и естественную изоляцию при низкой стоимости. Для генерации выходного слова высокого разрешения в управляющую цепь следует добавить цифровой фильтр. Этот фильтр также можно использовать для защиты приложения от перегрузки по току (низкое разрешение, высокое быстродействие), так что специальный двухпороговый компаратор больше не требуется.

Приложения низкой мощности

Рис. 2. Измерение тока с применением шунтирующих резисторов

Пока показатели тока невелики, шунтирующий резистор может использоваться для преобразования значения тока в значение напряжения, обычно в диапазоне +/-250 мВ. Чем выше напряжение, тем больше потери мощности на шунтирующем резисторе. Например, если пиковый ток равен 10A, а шунтирующий резистор выбран с сопротивлением 25мОм (10A*25мОм=250мВ), то потери мощности на шунте достигают пикового значения 2,5 Вт. При выборе шунтирующего резистора меньшего сопротивления напряжение падает и разрешение снижается.

Существует несколько причин для использования сигма-дельта модуляторов в этом приложении. Во-первых, они способны достигать высокого разрешения даже при малом диапазоне входного напряжения. Кроме того, они имеют двухпроводной интерфейс (один провод при использовании манчестерского кодирования), изоляция которого обходится дешевле. И, наконец, цифровой фильтр может использоваться как для мониторинга перегрузки по току, так и в целях генерации выходных слов высокого разрешения для токового контура управления.

В настоящее время компания Texas Instruments поставляет на рынок два неизолированных одиночных модулятора: ADS1202 и ADS1203. Модулятор ADS1203 представляет собой версию с подстройкой и поэтому обеспечивает лучшие показатели отношения сигнал-шум SNR (83 дБ), линейности (0,005%), коэффициента усиления (+/-1%) и меньший разброс тактовой частоты (10 МГц +/-10%) от компонента к компоненту.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) переключают напряжения на шунтирующем резисторе очень жестко. Поскольку модулятор смонтирован на плавающем заземлении между двумя БТИЗ, то имеют место интенсивные переходные процессы между землей модулятора и цифровым управляющим контуром. Изолирующие изделия должны иметь высокую устойчивость к быстрым переходным напряжениям, не менее 10 кВ/мкс.

Рис. 3. Устройства ADS1202 и ADS1203 можно использовать с шунтирующим резистором или с элементом на основе эффекта Холла

На рынке имеется множество оптоэлектронных соединительных устройств, но лишь немногие из них способны отвечать требованиям к изоляции при скорости передачи данных, аналогичной скорости передачи данных устройства ADS1202/03. Компания Texas Instruments использует емкостную изоляцию электрических соединений, которая обеспечивает лучшее быстродействие, чем оптроны, и лучшая устойчивость к быстрым переходным напряжениям, не менее 15 кВ/мкс. Одноканальная версия (ISO721) представлена на рисунке 4. Также поставляются многоканальные изделия.

Рис. 4. В устройстве ISO721 сочетаются высокое быстродействие с высококачественной изоляцией

В то же время компания Texas Instruments объявила недавно о выпуске изолированного модулятора в одном корпусе, AMC1203. В настоящее время это устройство представлено на рынке в корпусе Gullwing, но уже доступны образцы в других корпусах. Один из них - это 16-контактный корпус SOIC двойной ширины. Так как при емкостной изоляции малый размер является большим преимуществом, вскоре появится гораздо более миниатюрный 8-контактный корпус PSA.

Для приложений, рассчитанных на выпуск в небольших количествах, рентабельная разработка и производство цифрового фильтра являются сложной задачей, тогда как для крупносерийных приложений можно воспользоваться специализированной микросхемой ASIC. Однако для подобных специализированных микросхем трудно произвести модификацию параметров для оптимизации технического решения в целом. Поэтому компания Texas Instrument разработала микросхему цифрового фильтра AMC1210. Эта микросхема содержит четыре канала, причем каждый из них оснащен фильтром для защиты от перегрузки по току и вторым фильтром, служащим для обеспечения выходного сигнала высокого разрешения для управляющего контура. Этот фильтр может программироваться через высокоскоростной последовательный интерфейс или через различные параллельные интерфейсы. При этом можно выбирать различные коэффициенты избыточности при дискретизации, структуры фильтра и варианты прерываний.

Рис. 5. В AMC1203 сочетается автономный модулятор ADS1203 с изоляцией ISO721

Рис. 6. Устройство AMC1210 призвано сделать разработку приложений легче и дешевле

Приложения высокой мощности

Для более сильных токов шунтирование неприменимо, поскольку на шунтирующем резисторе теряется слишком большая мощность. В настоящее время существуют альтернативные модули для измерения тока, основанные на индуктивных датчиках (например, датчики производства Vacuum Schmelze) или на датчиках Холла (например, изделия компании LEM) и предусматривающие выходное напряжение 0-5 В. Таким образом, изготовители вынуждены использовать другую концепцию для приложений высокой мощности.

Рис. 7. Устройства ADS1205 и ADS1204 имеют входной диапазон 0-5 В

Компания Texas Instruments пытается решить эту проблему двумя способами. Во-первых, существуют два дополнительных модулятора ADS1204 и ADS1205, предусматривающих входной диапазон 0-5 В. Устройство ADS1205 - это двойной дельта-сигма модулятор, тогда как на микросхеме ADS1204 реализовано четыре модулятора. Поскольку датчики тока уже обеспечивают изоляцию, то на микросхеме можно комбинировать несколько модуляторов.

Устройство ADS1205 ориентировано на рынок трехфазных применений, где измеряются лишь два значения тока. Третье значение тока можно вычислить, поскольку сумма трех значений тока равна нулю. При этом все же сохраняется необходимость мониторинга третьей токовой цепи на предмет перегрузки по току, так что в некоторых приложениях измеряются все три значения тока. В этих случаях можно применять устройство ADS1204.

Помимо измерения тока дельта-сигма модуляторы также используются для измерения других параметров. Модулятор ADS1205 очень хорошо подходит для оценки работы резольвера (датчика положения) в системах управления электродвигателями. Несущая частота резольвера будет автоматически фильтроваться цифровым фильтром.

Даже в том случае, если устройства ADS1204 и ADS1205 позволяют изготовителю сохранить концепцию аналогичной шунтированию, конструкцию аппаратной части придется изменить. Поэтому компания Texas Instruments также использует второй подход к данному вопросу, сотрудничая с изготовителями модулей Холла для реализации модулятора непосредственно внутри модуля Холла. При этом единственное различие между слаботочными и сильноточными приложениями будет заключаться в замене шунтирующего модуля модулем на основе эффекта Холла. Устройства ADS1202 и ADS1203 можно использовать для такого модуля. Однако диапазон выходного напряжения датчика Холла (+/-100 мВ) нужно приводить к диапазону входного напряжения ADS1202/03 (+/-250 мВ) с помощью операционного усилителя. Также необходимо добавить источник постоянного тока.

Рис. 8. Устройство ADS1205 применимо для измерения двух значений тока, устройство ADS1204 применимо для измерения всех трех значений тока

Рис. 9. Модуль на основе эффекта Холла требует помимо ADS1208 только пассивных устройств

Модулятор ADS1208 включает в себя все описанные компоненты. Входной диапазон устройства имеет внутреннюю буферизацию и корректируется в пределах +/-100 мВ. Кроме того, ADS1208 обеспечивает источник питания для элемента на основе эффекта Холла. Микросхема оптимизирована для отношения сигнал-шум (SNR) 80 дБ и ослабления синфазного сигнала 80 дБ. На рисунке 9 показано, что усиление и смещение можно калибровать с помощью подстройки внешнего резистора. Изменение коэффициента усиления первого порядка также устраняется, поскольку как источник тока, так и входной диапазон модулятора регулируются одним и тем же источником опорного напряжения. Спецификации устройства ADS1208 разработаны таким образом, что его характеристики ограничены лишь погрешностью за счет нелинейности самого элемента на основе эффекта Холла.

Данное семейство изделий для измерения тока призвано сделать приложения дешевле и удобнее, обеспечивая при этом самый высокий уровень эксплуатационных показателей на рынке. Получить образцы и узнать о наличии устройств можно в компании Texas Instruments.

Компания Texas Instruments