Mit intelligenter Sicherung Strompfade steuern und überwachen

Bei heutigen batteriebetriebenen Mobilgeräten sind zwei der wichtigsten Aspekte die Batterielebensdauer und der sichere Betrieb. Mit anderen Worten: Endbenutzer erwarten eine lange Batterielebensdauer. Zudem sollte die Batterie vor Überhitzung durch Überstromentladung aufgrund unerwünschter Fehler geschützt sein. Ein Strommessverstärker (Current Sense Amplifier, CSA) kann den Strom aus der Batterie überwachen und einen Strom über einem vordefinierten Schwellenwert messen. Die Strommessung erlaubt eine Überwachung des Stroms, der aus der Batterie zur Last fließt.

In Anwendungen, die keine Strommessung benötigen, ist es von großer Bedeutung den Strompfad zwischen Batterie und Last bei einem Kurzschluss der Batterie gegen Masse zu unterbrechen. Eine Diode, die für die Batterie in Durchlassrichtung arbeitet, kann eine Verpolung verhindern, aber nicht bei Überstrom abschalten oder wenn die Batterie gegen Masse kurzgeschlossen wird. Eine Diode, die in Abhängigkeit vom Batteriestrom aktiviert und deaktiviert wird, wäre für batteriebetriebene Anwendungen ein nützlicher Schutz.

Strommessung und intelligente Sicherung

Das folgende Beispieldesign basiert auf einer idealen Diode und Strommessung: Die ideale Diode bietet einen Verpolungsschutz für die Batterie und spart Energie, da der Spannungsabfall an ihr nur in der Größenordnung von einigen zehn Millivolt liegt. Dies ist eine Größenordnung besser als bei Schottky-Dioden. Um genau zu sein, beträgt der Spannungsabfall an einer idealen Diode in Durchlassrichtung bei einer Last von 500 mA etwa 43 mV und bei einer Last von 1 A etwa 85 mV. Der Abschaltmodus deaktiviert das Gerät und blockiert die Busschienen bis 6 V, indem der aktuelle Strompfad von der Quelle zur Last unterbrochen wird.

Die Strommessschaltung besteht aus einem CSA mit interner Bandabstandsreferenz und einem Latch-Komparator. Ein mit der Stromüberwachung gekoppelter Schwellenwertkomparator mit Latch-Eingang ermöglicht die Fehlererkennung und schützt die nachgeschaltete Elektronik durch Unterbrechung des Batteriestroms.

Bild 1: Schaltschema mit Strommessung und Kurzschlussschutz. Maxim Integrated

Wie in Bild 1 dargestellt überwacht U2 (CSA) den Stromfluss einer variablen Last. Das Ausgangssignal des CSA wird dem Eingang des Schwellenwertkomparators zugeführt.

Die Schwellenspannung, also die Ausgangsspannung des CSA, wird durch die interne Verstärkung des Verstärkers (50 V/V) und die Wahl des Messwiderstands (R_SENSE, in diesem Fall 10 mΩ) bestimmt. Wenn der Laststrom ansteigt, erreicht der mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators verbundene Ausgang des CSA die Schwellenspannung von 0,6 V für den invertierenden Eingang.

Die Ausgangsspannung des CSA in Bild 1 ergibt sich aus:

OUT = I_LOAD* R_SENSE* Verstärkung = I_LOAD* 10 mΩ * 50 V/V

Hierbei ist: OUT die Ausgangsspannung des CSA und

I_LOAD der fließende Laststrom.

Der Laststrom, bei dem der Fehler auslösen muss, ergibt sich aus:

I_LOAD = [CIN-Schwelle/CSA-Verstärkung]/R_SENSE = [0,6 V/50]/10 mΩ = 1,2 A

Hierbei gilt: Die CIN-Schwelle ist die Spannung, bei deren Überschreitung der Komparatorausgang von High auf Low umschaltet.

Von R_SENSE hängt ab, bei welchem Wert des Laststroms der Fehler auslöst.

Aus Bild 1 geht hervor, dass Strom aus der Batterie über die ideale Diode U1 zur Last fließen kann. Als Überstromschwelle stellen Entwickler im Beispiel einen Laststrom von mehr als 1,2 A von der Batterie ein. Wenn ein Strom von mehr als 1,2 A fließt, setzt der Komparator in U2 den EN-Pin von U1 auf Low, sodass der Strompfad von der Batterie zur Last abbricht.

Bild 2: Systemverhalten mit Trigger am EN-Pin von U1 bei einem Laststrom von weniger als 1,2 A. Maxim Integrated

Der interne Komparator von U2 ist ein Latch-Enable-Komparator, dessen negativer Eingang intern mit einer 0,6-V-Bandabstandsreferenz verbunden ist. Wenn das System den /Reset-Pin am Komperator auf High setzt, ist die interne Verriegelung aktiv. Sobald CIN über 0,6 V ansteigt, schaltet die Anwendung den Ausgang auf High, unterbricht den fließenden Strom und bleibt in diesem Zustand, selbst wenn CIN unter 0,6 V fällt.

In Bild 1 steigt die Spannung an CIN über 0,6 V, wenn der Laststrom über 1,2 A liegt. Sobald C_OUT auf dem High-Pegel steht, muss der Benutzer manuell ein Low-Signal an den /Reset-Pin anlegen, damit die Schaltung wieder normal funktioniert, wenn der Strom unter dem Überstrom-Schwellenwert liegt. Wenn ein Kurzschluss oder Fehler vorliegt, kehrt die Schaltung bei jedem Versuch, sie durch ein Low-Signal am /Reset-Pin zurückzusetzen, in den Abschaltmodus zurück.

Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse aus dem Schema in Bild 1 sind in drei Szenarien unterteilt:

Szenario Nummer 1: Bei normalem Betrieb beträgt der Laststrom weniger als 1,2 A, somit bleiben der Stromschwellenwert, bei dessen Unterschreitung U1 aktiviert wird, und der Laststrom erhalten. CH1 in der folgenden Darstellung ist der Laststrom I_LOAD durch den variablen Widerstand über die Diode (U1) des Schaltplans, CH2 die Eingangsspannung an U1 V_DD, CH3 die Ausgangsspannung an U1 und CH4 das Freigabesignal am EN-Pin von U1.

Der Laststrom CH1 setzt in der Darstellung in Bild 2 bei einem Laststrom von rund 1 A (kleiner als 1,2 A) den EN-Pin nach dem Einschalten des Systems auf High, wodurch ein Strompfad von der Batterie zur Last entsteht. Wie zu erkennen, reagiert V_OUT von U1 innerhalb von etwa 40 µs, dies ist die Aktivierungszeit von U1.

Szenario Nummer 2: Erkennt die Anwendung einen hohen Überstrom-Schwellenwert von 1,2 A, unterbricht sie den Laststrompfad.

In Bild 3 ist das Ausschaltverhalten des Systems dargestellt. Es zeigt, dass I_LOAD die festgelegte Schwelle von 1,2 A erreicht hat und das System das Aktivierungssignal automatisch auf Low setzt, sodass sowohl die Ausgangsspannung als auch der Laststrom von U1 auf null fallen. Die langsame Reaktion (~ 120 µs) von I_LOAD und V_OUT ist durch den Kondensator 10 µF am Out-Pin von U1 begründet. Hier lässt sich auch eine kleinere kapazitive Last verwenden, um die Reaktionszeit der Abschaltfunktion zu verbessern.

Der Komparatorausgang ermöglicht es, den EN-Pin auf Low zu schalten. Infolgedessen schaltet sich das gesamte System aus, wenn es einen Laststrom von mehr als 1,2 A erkennt. Da dies ein Latch-Komparator ist, müssen Benutzer manuell ein Low-Signal am /Reset-Pin bereitstellen, um das System nach diesem Überstromereignis wieder zu aktivieren. Wenn der Laststrom I_LOAD größer als 1,2 A ist und noch fließt, wenn der /Reset-Pin auf Low gesetzt wird, wiederholt sich der Vorgang in Bild 3.

Szenario Nummer 3: Ein Masseschluss wird im System erkannt, wenn die Last beim Einschalten über 0 Ω gegen Masse kurzgeschlossen wird.

Bild 4: Systemverhalten des Ausgangs von U1 bei Masseschluss mit einem Laststrom von 5 A. Maxim Integrated

Bild 4 zeigt das Systemverhalten, wenn beim Einschalten des Systems ein Masseschluss vorliegt. In diesem Fall könnte eine 5-V-Batterie im Kurzschlussfall 5 A Strom liefern. Sobald jedoch der Laststrom I_LOAD mehr als 1,2 A beträgt, wird der EN-Pin auf Low gesetzt, um den Strompfad zu unterbrechen. V_DD und V_OUT (U1 OUT) sind dabei völlig isoliert. Für CH1 ist zu erkennen, dass es ungefähr 80 µs dauert, bis I_LOAD von 1,2 A auf 0 A sinkt.

Erwarteter Ausgangsspannungsfehler

Der bei dem Messstrom am Shunt-Widerstand entstehende Ausgangsspannungsfehler liegt zwischen 0,3 und 5 Prozent und hängt vom Spannungsabfall am Messwiderstand ab. Die Offsetspannung am Eingang des CSA ist die größte Fehlerquelle für die Messung der kleinen Signaldifferenzspannung, da bei geringen Strömen der Spannungsabfall am Sense-Widerstand in der Größenordnung der Eingangs-Offsetspannung liegt.

Je höher der Laststrom ist, desto höher ist der Spannungsabfall an den Eingängen des CSA und desto geringer der Ausgangsspannungsfehler. Am oberen Ende liegt der Gesamtfehler der Ausgangsspannung bei einem Laststrom von 1,2 A bei 0,3 Prozent, da der Spannungsabfall am Messwiderstand in der Größenordnung des Skalenendwerts der Messspannung liegt.

In Bild 4 ist zu erkennen, dass es bei einem Masseschluss rund 80 µs dauert, bis die Batterie von der Last getrennt ist.

Manuellen Reset deaktivieren

Bild 5: Zeitgesteuerte Sicherungsschaltung mit automatischer Reaktivierung von U1. Maxim Integrated

Eine zeitgesteuerte Auto-Reset-Funktion kann in einigen Fällen von Vorteil sein wie etwa in dem hier beschriebenen Szenario. Im Fehlerfall (Kurzschlusszustand) wie in Bild 5 setzt das System den Aktivierungseingang von U1 sofort auf Low. Die Schaltung wartet mit R = 10 kΩ, C = 100 nF und der Diode U4 rund 1 ms und versucht dann den Aktivierungseingang erneut zu aktivieren. Wenn der Fehler weiterhin besteht, geht der Eingang wieder zurück auf Low. Diese Schaltung versucht alle 1 ms, den Durchgang zu aktivieren, und nimmt den normalen Betrieb wieder auf, sobald kein Fehlerzustand mehr vorliegt.

Liegt kein Fehlerzustand mehr vor, setzt das System den Ausgang des Komparators auf Low oder das auf Low gesetzte Gate des U3-FET schaltet den Aktivierungseingang von U1 auf High. Im Fehlerfall (Kurzschluss oder Überschreitung des angegebenen Laststroms) stellt das System den Ausgang des Komparators auf High, schaltet den FET ein und setzt den Drain auf Low. Der auf Low gesetzte Aktivierungseingang deaktiviert U1, was auch die Stromquelle für den fehlerhaften nachgeschalteten Stromkreis unterbricht. Sobald der Fehler nicht mehr besteht, wird der Ausgang des Überwachungskomparators wieder auf Low geschaltet und entlädt das Gate des FET, bis die Spannung V_(GATE) kleiner ist als V_GS(ON). Damit ist der FET ausgeschaltet und der Aktivierungseingang wieder auf High. Dieser Zyklus läuft, solange der Fehler weiterhin besteht.

Ein Fehlerzustand ist aus Gründen der Sicherheit und Gerätefunktion zu vermeiden. Zufällige Momentanereignisse wie unerwünschte Kopplung oder menschliches Versagen können solche Szenarien erzeugen. Deshalb müssen Unternehmen hier ein intelligentes Design entwickeln und solche Ereignisse verstehen. Ein automatischer Reset ist in solchen Fällen hilfreich.

Zusammenfassend

In diesem Artikel wurde bereits beschrieben, wie ein Batterieüberstrom über einen Schwellenwert hinaus gemessen und gleichzeitig unterbrochen wird. Die Bilder 2,3 und 4 bilden drei verschiedene Szenarien für das Systemverhalten bei drei verschiedenen Entnahmeströmen ab. Bild 2 zeigt die Einschaltreaktion, wenn der Laststrom unter dem Überstromschwellenwert vonweniger als 1,2 A liegt. Hingegen veranschaulicht Bild 3 die Abschaltreaktion, wenn der Laststrom kleiner oder gleich 1,2 A ist, und Bild 4 die Reaktion auf einen Kurzschluss beim Einschalten. Für Szenarien, in denen ein manueller Reset problematisch ist, ist in Bild 5 eine zeitgesteuerte Sicherungsschaltung zu sehen, die automatisch eine erneute Aktivierung des Durchlassstroms nach 1 ms versucht, sobald der Batteriestrom unter dem Überstromschwellenwert von 1,2 A liegt.

(prm)