Messwandler für die isolierte Strommessung

Bild 1: Die Wandler der GO-Serie und ihre Anschlüsse im SOIC-8- und SOIC-16-Gehäuse. LEM

Strommesswandler, bei denen eine Isolation erforderlich ist, erkennen das Magnetfeld des gemessenen Stroms. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass sich sowohl Wechsel- als auch Gleichströme messen lassen. In letzter Zeit waren vor allem zwei Gründe ausschlaggebend, um Open-Loop-(direktabbildende)-Stromwandler von LEM einzusetzen: deren Kosten und Größe wurden kontinuierlich reduziert, und durch den Einsatz kundenspezifischer proprietärer CMOS-ASICs als Sensorelement konnte die hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich Genauigkeit und Reaktionszeit der komplexeren Closed-Loop-(Kompensations-)-Stromwandler erzielt werden. Normalerweise wird der ASIC im Luftspalt eines kleinen Magnetkreises platziert, der für eine Verstärkung des Feldes und Abschirmung externer Störungen sorgt. Die meisten herkömmlichen Open-Loop-Wandler von LEM messen Ströme im Bereich von 3 A bis mehrere 100 A, bieten eine Isolationsspannung bis 8 kV und eine Reaktionszeit von 2 µs.

Einige Anwendungen, insbesondere Motorsteuerungen, erfordern ebenfalls eine schnelle Strommessung, sind aber hinsichtlich des Strommessbereichs und der Isolation weniger anspruchsvoll. Dafür ist der Preisdruck erheblich. Bei Anwendungen wie zum Beispiel weißer Ware, elektrischen Rollläden und Klimaanlagen sind kostengünstige Lösungen und kleine Baugrößen gefragt. Für diese Fälle bietet LEM mit der GO-Serie nun eine weitere Familie von Strommesswandlern an, deren Größe durch die Beseitigung des Magnetkreises noch weiter verringert wurde. Dabei wird der Primärstrom direkt in einen Standard-IC geführt, wo sein Magnetfeld durch einen neuen ASIC gemessen wird. Dieser ASIC ist von in herkömmlichen Wandlern eingesetzten ICs abgeleitet. Bild 1 beschreibt zwei Beispiele. Eines davon befindet sich in einem SOIC-8-Gehäuse. Die vier sekundärseitigen Anschlüsse sind für die Versorgung, die Ausgangsspannung U_out und eine Referenzspannung U_ref vorgesehen. Das andere Beispiel ist ein SOIC-16-Gehäuse, das acht sekundärseitige Anschlüsse bereitstellt. Damit stehen zwei verschiedene OCD-Warnstufen (Over-Current Detect; Überstromerkennung) zur Verfügung – eine sehr schnelle, und eine langsamere, dafür aber genauere. Die Geschwindigkeit und Genauigkeit der GO-Wandler ist ähnlich der eines Wandlers mit Magnetkreis. Der fehlende Magnetkreis bedeutet natürlich, dass kein magnetischer Offset vorhanden ist.

Aufbau und Funktionen der Strommesswandler

Der ASIC des GO-Wandlers wurde von LEMs Open-Loop-Wandler abgeleitet, die über einen Magnetkreis verfügen. Mit diesem ASIC steht umfangreiche Produktionserfahrung bereit, was die Einführung zusätzlicher Funktionen rund um die bekannten Signalpfadblöcke ermöglichte. In diesem Abschnitt werden der Aufbau des GO-Wandlers und die Unterschiede zu Wandlern mit Magnetkreis näher dargestellt.

Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines GO-Wandlers im 16-poligen Gehäuse. Mehrere Hallelemente innerhalb des ASICs werden auf beiden Seiten des Primärstroms platziert, um dessen Magnetfeld zu detektieren. Ihr Offset wird zusammen mit dem der Eingangsverstärker durch einen Chopperkreis beseitigt, die den Hallelement-Ausgang zu einem Wechselsignal modulieren. Nach der Verstärkung wird das Hall-Signal vor der Pufferung und Filterung am Ausgang wieder auf seine ursprüngliche Frequenz demoduliert. Die schnelle Reaktionszeit wird durch eine hohe Chopper-Frequenz und interne Filter erreicht, die die Rauschbandbreite des Systems reduzieren.

Während der Fertigung wird jeder Wandler individuell kalibriert. Die Tests werden bei drei Temperaturen durchgeführt. Die Empfindlichkeitsdrift und die Ausgangs-Offset-Drift werden gemessen und Korrekturen im EEPROM auf dem ASIC gespeichert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Messgenauigkeit über der Temperatur und Alterung erhalten bleibt.

Bild 2: Blockschaltbild eines GO-Wandlers im SOIC-16-Gehäuse. LEM

Der ASIC ist durch eine Reihe von Isolierschichten vom Primärleiter getrennt – eine optimale Trennung wurde für den besten Kompromiss zwischen höchster Isolation mit einer breiten Trennung und größtem Magnetfeld an den Hallelementen mit geringerer Trennung gewählt. Die Hallelemente an den gegenüberliegenden Seiten des Primärleiters sind empfindlich gegenüber Feldern in entgegengesetzten Richtungen, sodass der Wandler gegenüber gleichförmigen Magnetfeldern aus anderen Quellen als dem gemessenen Strom immun ist. Die exakte seitliche Position der Hallelemente relativ zum Primärleiter ist nicht entscheidend, da die Differenz zwischen den Ausgängen der Hallelemente auf den gegenüberliegenden Seiten verwendet wird. Anders gesagt, die Hallelemente sind als Gradientensensor ausgelegt.

Bild 3 beschreibt die Überstromerkennung (OCD). Ziel ist es, zwei verschiedene Warnstufen bereitzustellen. Die erste Stufe gilt für Ströme, die etwas höher als erwartet sind, um davor zu warnen, dass beispielsweise ein Antriebsstrom nicht im erwarteten Bereich liegt. Diese OCD muss einigermaßen genau sein, nicht besonders schnell, und der Wert kann je nach Anwendung eingestellt werden. Die weniger strenge Anforderung an die Schnelligkeit ermöglicht es, den Eingang dieser ersten OCD vom Wandlerausgang abzuleiten. Der Grenzwert wird durch vom Benutzer gewählte externe Widerstände eingestellt (OCD_EXT).

Bild 3: Blockschaltbild des OCD-Systems (Over-Current Detect). LEM

Der zweite Grenzwert soll vor Strömen warnen, die – zum Beispiel aufgrund eines Kurzschlusses – gefährlich hoch sind. Die Reaktionszeit muss extrem schnell sein, aber der Wert und die Genauigkeit des Erkennungsgrenzwertes sind nicht kritisch. Um eine schnelle Ansprechzeit zu erzielen und einen OCD-Grenzwert außerhalb des normalen linearen Betriebsbereichs zuzulassen, wird der Eingang zum zweiten OCD vor dem Demodulationsblock abgeführt. Sein Grenzwert wird intern eingestellt, indem ein Parameter im EEPROM gespeichert wird (OCD_INT). Der Grenzwert ist auf den 3-fachen Primärnennstrom I_PN eingestellt.

Bild 3 wurde etwas vereinfacht: Es fehlt das Detail, das sicherstellt, dass beide OCDs sowohl auf positive als auch auf negative Überströme reagieren. Beide OCDs überprüfen, ob der Überstromzustand für mindestens 1 µs vorhanden ist, um Fehlalarme zu vermeiden. Beide Ausgänge werden, sobald sie ausgelöst wurden, für 10 µs beibehalten. Somit ist sichergestellt, dass die Bedingung erkannt wird. Die Ausgänge sind Open-Drain, womit sich OCDs von mehreren Wandlern bequem miteinander verbinden lassen. OCD_INT löst in weniger als 2,1 µs aus. Die typische Reaktionszeit von OCD_EXT beträgt 10 µs.

Bild 4: Messung der Reaktionszeit eines GO-Wandlers. LEM

Der Platzbedarf eines GO-Wandlers im 16-poligen Gehäuse beträgt zirka 100 mm². Ein 8-poliges Gehäuse nimmt die Hälfte davon ein. Der entsprechende Wert für den kleinsten Leiterplatten-montierten Wandler mit einem Magnetkreis beträgt in etwa 400 mm². Die Bauhöhen betragen 2,5 beziehungsweise 12 mm. Für beide Wandlerarten ist bei höheren Strömen jedoch eine größere Toleranz erforderlich, um die im Primärkreis des Wandlers erzeugte Wärme besser abführen zu können. Die Wärmeentwicklung ist bei GO-Wandlern größer, da ihr Primärwiderstand höher ist.

Wesentliche Parameter und gemessene Betriebseigenschaften

In Tabelle 1 werden einige der wichtigsten elektrischen Parameter der GO-Wandler aufgeführt. Zum Vergleich werden auch die Werte der gleichen Parameter für einen kleinen Open-Loop-Wandler mit Magnetkreis angegeben – ein kleiner Wandler wurde gewählt, um den sinnvollsten Vergleich zu liefern, ein größerer Wandler hätte andere Parameter. Tabelle 1 zeigt, dass zahlreiche wichtige elektrische Parameter von den etablierten Sensoren mit Magnetkreis unverändert oder leicht verbessert übernommen wurden. Andere Parameter, wie die Größe und Isolierung, unterscheiden sich, sodass die beiden Wandlerfamilien unterschiedliche Märkte bedienen.

Bild 5: Die Wirkung externer Stromleiter auf die Genauigkeit eines GO-Stromwandlers. Der Fehler wird angezeigt, wenn die Ströme im GO-Primärkreis und Außenleiter gleich sind. LEM

Bild 4 zeigt eine gemessene Reaktionszeit nach einer Primärstromänderung innerhalb von 0,3 µs. Die kompakte Größe und das Fehlen magnetischer Komponenten innerhalb des Wandlers sorgen für eine Antwort mit sehr geringem Überschwingen und Ringing.

Die Behauptung, die zuvor gemacht wurde, dass GO-Wandler unempfindlich gegenüber externen Magnetfelder sind, stimmt dann, wenn der verstärkte elektrische Ausgang der Hallelemente von beiden Seiten gleich ist, da die Differenz zwischen den beiden Ausgängen verwendet wird. Um diese Bedingung zu erfüllen, gilt:

• (I) Die Empfindlichkeit der Hallelemente auf beiden Seiten des Primärkreises (und der Verstärker, mit denen sie verbunden sind) muss gleich sein. Das heißt, sie müssen optimal angepasst sein.
• (II) Das Magnetfeld muss auf beiden Seiten des Primärkreises gleich und damit einheitlich sein.

Berücksichtigt man Punkt (I), wo die Hallelemente und die Verstärker mit großen Blöcken umgesetzt werden, ist deren Anpassung hervorragend. Wenn ein gleichmäßiges externes Magnetfeld an einen GO-Wandler anliegt, wird es fast vollständig abgeblockt.

Für Punkt (II) gilt jedoch, dass die Magnetfelder, die von Stromleitern erzeugt werden, die nahe am Wandler angeordnet sind, nicht gleichförmig sind und die Ausgänge von den beiden Seiten des Primärleiters nicht vollständig abgeblockt werden. Dies wurde für Stromleiter in vier verschiedenen Positionen in der Nähe eines GO-Wandlers untersucht (Bild 5). Der schlimmste Fall ist Position 3, in der der Außenleiter mit dem GO-Primärleiter ausgerichtet ist. Fließen im Außenleiter 10 A Strom und der gemessene Strom ist ebenfalls 10 A, beträgt der Wandlerausgangsfehler aufgrund des externen Stroms nur etwa ein Prozent des gemessenen Stroms – selbst wenn kein Abstand zwischen Wandler und Außenleiter vorliegt. Diese Untersuchung zeigt, dass mit einem Minimum an Sorgfalt beim Leiterplatten-Design externe Leiter einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Genauigkeit der GO-Wandler haben.

Bild 6: Reaktion eines GO-Stromwandlers (GO 25-SMS) nach einer du/dt-Störung. LEM

Eine weitere wichtige Überlegung bei sehr kleinen Wandlern sind die Auswirkungen plötzlicher Primärspannungsänderungen am Wandlerausgang. Dies wird am besten im ASIC gehandhabt. Sind die internen Signalpegel klein, sind sie stets differentiell, und Änderungen ihres Gleichtaktpegels aufgrund externer Transienten haben geringe Auswirkungen. Empfindliche Knoten können durch kleine geerdete Schirme auf der oberen Metallschicht geschützt werden. Die Abschirmung erfolgt nur über den kleinen Bereichen, bei denen sie erforderlich ist. Dies hat viele Vorteile gegenüber großformatigen Abschirmungen: Die obere Metallschicht bleibt für interne Verbindungen verfügbar, wenn keine Schirme benötigt werden. Der ASIC-Chip ist nicht versteckt und beschädigte Teile können analysiert werden. Zudem treten keine Wirbelströme auf, mit denen sich die Reaktionszeit verlangsamen würde.

Bild 6 zeigt die Wirkung einer Spannungsänderung von 5 kV/µs auf den Ausgang eines 25-A-GO-Wandlers (GO 25-SMS). Die maximale Störung am Ausgang beträgt vier Prozent des IPN und die Erholungszeit beträgt etwa 3,6 µs.

Tabelle 1: Vergleich der wesentlichen Parameter eines GO-Wandlers und eines Wandlers mit Magnetkreis. LEM

(jj)