Производительность ИДТ открывает новые перспективы для проектирования систем

В статье перечислены четыре причины, по которым следует обратить внимание на Интегрированные Датчики Тока там, где важны точность, эффективность и защищенность.

ИДТ LEM HMSR

Датчики тока играют важную роль в различных электронных устройствах, включая источники питания, системы управления батареями, приводы электронных двигателей и сети возобновляемых источников энергии. Точное и надежное измерение тока необходимо для защиты и эффективной работы этих устройств.

Однако при увеличении удельной мощности устройств возникают проблемы с измерением тока, а цель всегда состоит в том, чтобы сделать больше с меньшими затратами, в том числе с минимальными размерами платы. В условиях нехватки места и высокой удельной мощности важную роль играют Интегрированные Датчики Тока (ИДТ).

Идеально подходящие для различных автомобильных, промышленных и бытовых применений, ИДТ представляют собой датчики тока на основе эффекта Холла, которые включают в себя токопровод, чувствительные элементы, матрицу обработки сигнала и некоторые специальные функции, такие как обнаружение неисправностей и изоляция в одном корпусе.

Датчики на основе эффекта Холла - это один из способов бесконтактного измерения магнитного поля, вызванного током. Элемент Холла - это чувствительный элемент, который преобразует изменение магнитного поля в изменение своего сопротивления. Когда через элемент Холла проходит постоянный ток, выходное напряжение изменяется пропорционально магнитному полю.

Вот четыре ключевых преимуществ, которые показывают, почему Интегрированные Датчики Тока являются разумным вложением средств.

Конструкция без сердечника

Традиционные датчики тока с эффектом Холла используют ферритовый сердечник вокруг токопровода и чувствительных элементов для концентрации магнитного поля. Этот сердечник также защищает от нежелательных внешних магнитных полей и шумов. Дифференциальное измерение позволяет отказаться от ферритового сердечника, используя два чувствительных элемента (ячейки Холла), которые принимают измеряемое магнитное поле - один с положительным коэффициентом, другой с отрицательным. Разница между этими двумя полями позволяет аннулировать любые дополнительные нежелательные магнитные поля.

Интегрированные датчики тока используют дифференциальное измерение, чтобы избежать использования ферритового сердечника. Отказ от сердечника дает ряд преимуществ во встраиваемых устройствах. Например, снижается стоимость устройства, механически увеличивается плотность мощности на стороне датчика (до 75 А в 800-вольтовых нагрузках для продуктов LEM ICS), а на измерения не влияет магнитный гистерезис (когда к ферромагниту прикладывается внешнее магнитное поле и атомные диполи выравниваются относительно него). Наконец, частота и полоса пропускания не ограничены присущим магнитному элементу сердечника сатурацией.

Встроенная изоляция

Некоторые системы требуют особой изоляции для защиты конечного пользователя, что означает, что пользовательский интерфейс должен быть физически отделен от высоковольтной сети и не может использовать один и тот же уровень опорного напряжения. ИДТ интегрирует функцию изоляции внутри (гальваническая развязка) и снаружи (расстояния ползучести и зазора) устройства, что означает отсутствие физического соединения между первичным проводником, по которому течет ток высокого напряжения, и вторичной цепью с микросхемой интегральной схемы специального назначения (ИССН), специфичной для конкретной нагрузки, и вторичными выводами. Связь между этими двумя сторонами осуществляется только через магнитное поле, создаваемое протекающим током.

ИССН в ИДТ изготавливается с использованием полупроводникового процесса CMOS, что позволяет интегрировать в компонент специфические функции без добавления аппаратного обеспечения. Например, все аналоговые и цифровые элементы, необходимые для восприятия, усиления и обработки сигнала пропорционального напряжения, изготавливаются на одном кристалле из полупроводниковых материалов, что также обеспечивает низкое потребление и рассеиваемую мощность.

Важным фактором также является обнаружение перегрузки по току (ОПТ). Благодаря внутреннему ОПТ, когда ток пересекает пороговое значение, срабатывает выходной сигнал, подаваемый на специальный датчик неисправности. Это позволяет микроконтроллеру нагрузки получать информацию о тревоге с минимальной задержкой. В противном случае действия должны были бы выполняться внутри устройства на основе уровня тока, передаваемого датчиком, что заняло бы гораздо больше времени.

Компенсация напряжения и дополнительные интегрированные функции

Что касается компенсации напряжения и температуры, то если на матрицу ИССН воздействуют механические нагрузки от упаковки, это может привести к дрейфу чувствительности (то же самое может произойти при колебаниях температуры от -40 °C до +125 °C). Внутренние датчики в матрице ИССН компенсируют этот дрейф, гарантируя линейную и точную чувствительность в широком диапазоне условий. В дискретной конструкции температура шунта сильно изменяется из-за резистивных потерь, что требует дополнительного шага проектирования в микроконтроллере для точной компенсации. В отличие от этого, решение ИДТ работает "plug-and-play".

Традиционно выходное напряжение всегда пропорционально измеряемому току, но существует два варианта опорного напряжения. В ратиометрическом режиме Vout выражается в процентах от напряжения питания Vcc и требует стабильного напряжения питания. В фиксированном (нератиометрическом) режиме Vout сравнивается с внешним опорным напряжением Vref. В этом случае пропорциональный сигнал равен Vout минус Vref, но когда измеряемый ток равен 0 А, Vout = Vref - другими словами, опорное напряжение задает выходное напряжение покоя (режим нулевого тока).

Компания LEM разработала два семейства ИДТ - серию HMSR и серию GO. ИДТ LEM HMSR и GO-SMS оснащены внутренними и внешними устройствами защитного отключения для максимальной защиты системы. Они также доступны с ратиометрическими выходами и выходами с фиксированным напряжением, в зависимости от характеристик системы. В то время как серия LEM HMSR обеспечивает дополнительную защиту благодаря встроенному сердечнику, серия LEM GO использует все преимущества дифференциальных измерений, чтобы предложить все характеристики датчика тока Холла в компактной, монтируемой на поверхность интегральной схеме малого формата (SOIC) -SOIC8 или 16. Например, LEM GO-SMS может гарантировать базовую изоляцию до 2088 В и усиленную изоляцию 1041 В (постоянное или пиковое рабочее напряжение) в соответствии с IEC 62368-1.

ИДТ LEM GO-SMS

Технология Plug and Play

Интегральные датчики тока позволяют разработчикам реализовать функцию измерения тока по принципу " Plug and Play" и решить практически все свои задачи с помощью одного компонента. Полная механическая интеграция и очень низкие потери мощности делают площадь, занимаемую ИДТ, минимально возможной при отсутствии тепловых проблем.

Бесконтактное измерение с гальванической развязкой и стандартные расстояния между ползунками и зазорами делают ИДТ пригодными для высоковольтных нагрузок и могут поддерживать стратегию проектирования с усиленной изоляцией. Более компактные корпуса с меньшей изоляцией и незаполненными элементами могут снизить стоимость до конкурентоспособной в тех случаях, когда изоляция не требуется (< 60 В пост. тока). Такая гибкость в определении продукта позволяет использовать ИДТ LEM в различных изделиях, будь то оптимизированные по стоимости устройства или высококлассные изолированные конструкции.

Производительность ИДТ не снижается, поскольку вся обработка сигнала осуществляется в корпусе с полупроводниковыми элементами. Это позволяет интегрировать специальные механизмы защиты системы, такие как быстрое обнаружение перегрузки по току. В зависимости от архитектуры системы и конструктивных решений выходное напряжение, пропорциональное току, может быть привязано к напряжению питания Vcc или внешнему Vref.

Интегрированные датчики тока идеально подходят для многих устройств, где требуется точное управление, эффективность и защита. Новейшие ИДТ компании LEM подходят для нагрузок, где требуется много места и высокая плотность мощности.

LEM имеет амбициозную дорожную карту по разработке еще большего количества продуктов ИДТ, отвечающих специфическим потребностям клиентов. Следующим этапом этой программы станет запуск HMSR DA, первой системы ИДТ с сигма-дельта битовым цифровым выходом