Integroidut virta-anturit tarjoavat ihanteellisen ratkaisun, kun tarkka ohjaus, tehokkuus ja suojaus ovat tärkeitä järjestelmän kannalta. Tämä LEM:n artikkeli kertoo neljä syytä siihen, miksi näin on.

 Virrantunnistus on tärkeä toiminto monissa elektronisissa laitteissa, mukaan lukien virtalähteet, akunhallintajärjestelmät, sähkömoottorikäytöt ja uusiutuvan energian verkot. Tarkka ja luotettava virrantunnistus on välttämätöntä, jotta nämä laitteet ovat suojattuja ja toimivat tehokkaasti.

Virran mittaamiseen liittyy kuitenkin haasteita, kun laitteiden tehotiheys kasvaa, ja tavoitteena on aina tehdä enemmän vähemmällä. Tämä tarkoittaa myös sitä, että halutaan minimoida piirilevyn koko. Tässä tilanrajoitusten ja suuren tehotiheyden ympäristössä integroiduilla virta-antureilla (ICS) on tärkeä rooli.

ICS-piirit ovat ihanteellisia useissa auto-, teollisuus- tai asuntosovelluksissa. Ne ovat Hall-ilmiöön pohjautuvia antureita, jotka sisältävät virtajohtimen, anturielementit, signaalinkäsittelypiirin, sekä joitain erityisominaisuuksia, kuten vianhavaitsemisen ja eristyksen, kaiken yhdessä kotelossa.

Hall-ilmiön tunnistus on yksi tapa saavuttaa virran aiheuttaman magneettikentän kosketukseton mittaus. Hall-kenno on anturielementti, joka muuntaa magneettikentän muutoksen sen vastuksen muutokseksi ja kun Hall-kennon läpi kulkee vakiovirta, se antaa jännitteen, jonka muutos on verrannollinen magneettikentän muutokseen.

50 vuoden ajan virranmittauksen johtavana valmistajana LEM kehittää jatkuvasti uusia teknologioita, jotka sopivat asiakkaiden muuttuviin tarpeisiin näiden toiminta-aloilla. Tämän takia yritys päätti investoida omaan ICS-suunnitteluun ja on rakentamassa kattavaa ICS-piirien valikoimaa.

Neljä keskeistä etua osoittavat, miksi LEM uskoo, että integroidut virta-anturit ovat järkevä investointi.

Ytimetön suunnittelu

Perinteiset Hall-ilmiötä mittaavat virta-anturit käyttävät ferriittiydintä virtajohtimen ympärillä ja anturielementtejä keskittääkseen magneettikentän. Tämä ydin tarjoaa myös suojan ei-toivotuilta ulkoisilta magneettikentiltä ja kohinalta. Differentiaalimittaus mahdollistaa ferriittiytimen poistamisen käyttämällä kahta anturielementtiä (Hall-kennoja), jotka molemmat vastaanottavat mitattavan magneettikentän – toinen positiivisella kertoimella, toinen negatiivisella. Kahden kentän eron perusteella voidaan kumota ei-toivotut ylimääräiset magneettikentät.

Integroidut virta-anturit hyödyntävät differentiaalimittausta välttääkseen ferriittisydämen käytön. Ytimen poistaminen tarjoaa useita etuja sulautetuissa sovelluksissa. Esimerkiksi laitteen hinta pienenee, anturipuolen tehotiheys kasvaa mekaanisesti (jopa 75A 800V sovelluksissa LEM:n ICS-tuotteissa), eikä magneettinen hystereesi vaikuta mittaukseen (kun käytetään ulkoista magneettikenttää ferromagneettiin ja atomidipolit asettuvat linjaan sen kanssa). Lopuksi taajuutta ja kaistanleveyttä ei rajoita ytimen magneettisen elementin luontainen kylläisyys.

Sulautettu eristys

Jotkut järjestelmät tarvitsevat erityisen eristyksen loppukäyttäjän suojelemiseksi, mikä tarkoittaa, että käyttöliittymä on fyysisesti erotettava suurjänniteverkosta (HV) eikä se voi jakaa samaa jännitteen referenssitasoa. ICS integroi eristystoiminnon piirin sisällä (galvaaninen eristys) ja ulkopuolella (ryömintä- ja välysetäisyydet), mikä tarkoittaa, että ensiöjohtimen, jossa HV-virta kulkee, ja toisiopiirin välillä ei ole fyysistä yhteyttä sovelluskohtaiseen integroituun ASIC-piiriin eikä toisiopuolen nastoihin. Nämä kaksi puolta kommunikoivat vain virtaavan virran tuottaman magneettikentän kautta.

ICS-piirin ASIC-osa on valmistettu CMOS-puolijohteiden valmistusprosessilla, joka mahdollistaa tiettyjen ominaisuuksien integroinnin komponenttiin ilman laitteiston lisäämistä. Esimerkiksi kaikki analogiset ja digitaaliset elementit, joita tarvitaan suhteellisen jännitesignaalin havaitsemiseen, vahvistamiseen ja käsittelyyn, valmistetaan yhdelle sirulle puolijohdemateriaaleista, mikä myös varmistaa alhaisen kulutuksen ja tehohäviöt.

Ylivirran havaitseminen (OCD, over-current detection) on myös tärkeä tekijä. Kun virta ylittää kynnyksen, sisäinen ODC laukaisee signaalilähdön, joka lähetetään dedikoituun vikanastaan. Tämän ansiosta sovelluksen mikro-ohjain voi vastaanottaa hälytystiedot mahdollisimman pienellä viiveellä. Muuten toimenpide olisi tehtävä sisäisesti ja anturin lähettämän virtatason perusteella, mikä kestäisi paljon kauemmin.

Kompensointi ja integroidut lisätoiminnot

Mitä tulee rasituksen ja lämpötilan kompensoimiseen, jos ASIC-siruun kohdistuu mekaaninen rasitus kotelosta, tämä voi aiheuttaa herkkyyden muutoksen (drift, sama voi tapahtua lämpötilavaihteluilla -40 °C - +125 °C). ASIC-sirun sisäiset anturit kompensoivat tätä huojumista ja takaavat lineaarisen ja tarkan herkkyyden monissa olosuhteissa. Erillispiireihin pohjautuvassa suunnittelussa shuntin lämpötila vaihtelee suuresti resistiivisten häviöiden mukaan, mikä vaatii ylimääräisen suunnitteluvaiheen mikro-ohjaimessa tämän kompensoimiseksi tarkasti. ICS-piirin ratkaisu toimii plug-and-play -tyyppisesti.

Perinteisesti lähtöjännite on aina verrannollinen mitattuun virtaan, mutta vertailujännitteitä voi olla kaksi. Ratiometrisessä tilassa Vout ilmaistaan prosentteina jännitesyötöstä (Vcc) ja vaatii vakaan jännitelähteen. Kiinteässä (ei-ratiometrisessä) tilassa Vout-jännitettä verrataan ulkoiseen referenssijännitteeseen (Vref). Suhteellinen signaali on tällöin Vout miinus Vref, mutta kun mitattava virta on 0A, Vout = Vref. Toisin sanoen referenssijännite asettaa lepotilan lähtöjännitteen (nollavirtatila).

LEM on kehittänyt kaksi ICS-perhettä, HMSR-sarjan ja GO-sarjan. HMSR- ja GO-SMS-sarjojen piirit sisältävät sisäiset ja ulkoiset OCD:t maksimaalisen järjestelmän suojauksen takaamiseksi, ja niitä on saatavana myös ratiometrisillä ja kiinteillä jännitelähdöillä tarpeen mukaan eli järjestelmän ominaisuuksista riippuen. Vaikka LEM HMSR -sarja tarjoaa ylimääräistä häiriönsietoa integroidulla ytimellään, LEM GO -sarja hyödyntää differentiaalimittauksia ja tarjoaa kaiken Hall-virta-anturin suorituskyvyn kompaktissa, pintaliitettävässä SOIC-piirissä (SOIC8 tai 16). Esimerkiksi LEM GO-SMS voi taata peruseristyksen 2088V asti ja vahvistetun 1041V (DC tai huippukäyttöjännitteen) IEC 62368-1 mukaisen eristyksen.

Plug-and-play alusta asti

Yhteenvetona voidaan todeta, että integroidut virta-anturit antavat suunnittelijoille mahdollisuuden toteuttaa virranmittaustoiminto plug-and-play- tyyppisesti ja käytännössä kaikki haasteet ratkaistaan yhdellä komponentilla. Täydellinen mekaaninen integrointi ja erittäin pienet tehohäviöt tekevät ICS-piirin fyysisen koon mahdollisimman pieneksi ilman lämpöongelmia.

Kontaktiton mittaus galvaanisella eristyksellä ja standardinmukaisilla ryömintä- ja välysetäisyyksillä tekevät ICS-piireistä jo suunnittelunsa ansiosta soveltuvia suurjännitesovelluksiin ja ne voivat tukea vahvistetun eristyksen suunnittelustrategiaa. Pienemmät kotelot, joissa on vähemmän eristystä ja käyttämättömiä ominaisuuksia, voivat alentaa kustannuksia kilpailukykyisiksi silloin, kun eristystä ei tarvita (< 60 Vdc). Tämän tuotemäärittelyn joustavuuden ansiosta LEM:n ICS-piirit soveltuvat erilaisiin tuotteisiin, olipa kyseessä sitten kustannusoptimoitu sovellus tai huippuluokan eristetty suunnittelu.

ICS-piirien suorituskyky ei vaarannu, koska kaikki signaalinkäsittely tehdään kotelossa puolijohde-elementeillä. Tämä mahdollistaa ad hoc -suojausmekanismien, kuten nopean ylivirrantunnistuksen integroinnin. Järjestelmän arkkitehtuurista ja suunnitteluvalinnoista riippuen virtaan suhteutettua jännitelähtöä voidaan verrata Vcc-syöttöjännitteeseen Vcc ulkoiseen Vref-referenssiin.

Onkin selvää, että integroidut virta-anturit ovat ihanteellisia monenlaisiin sovelluksiin, joissa tarvitaan tarkkaa ohjausta, tehokkuutta ja suojaa. LEM:n uusimmat ICS-anturit sopivat erityisesti sovelluksiin, joissa tilaa on vähän ja tarvitaan suurta tehotiheyttä.

Kun katsotaan eteenpäin, LEM:llä on kunnianhimoiset suunnitelmat kehittää entistä enemmän ICS-tuotteita, jotka vastaavat asiakkaiden erityistarpeita. Tämän tiekartan seuraava etappi on HMSR DA:n julkaisu. Se on ensimmäinen ICS-piiri, jossa on sigma-delta-bittivirran digitaalinen lähtö.