Tehonmuunnoksiin tarkoitettujen uusien järjestelmien on samanaikaisesti kehityttävä yhä pienemmiksi, halvemmiksi ja hyötysuhteeltaan paremmiksi. Sveitsiläinen LEM on kehittänyt tähän avuksi integroidun HMSR-virta-anturipiirin. Tuotepäällikkö Clément Amilien selventää, miksi.

 1. Voitko kuvailla lyhyesti integroitujen virta-anturien (ICS) kehitystä ja sitä, kuinka nykyiset markkinatrendit ovat siirtyneet kohti pienentämistä ja suorituskyvyn parannuksia?

ICS-piirit eli integroidut virta-anturit ovat ennen kaikkea virta-antureita. Tarve siirtyä suurista virta-anturimoduuleista ICS-piireihin on suora seuraus elektroniikkajärjestelmien lisääntyneestä tehotiheydestä, kun pienemmissä ja kevyemmissä tuotteissa on korkeammat jännitteet ja korkeammat virrat.

Esimerkkejä tällaisista tuotteista ovat uudet teollisuusservorobotit, jotka toimivat 800 V jännitteellä. ICS hyödyntää puolijohdepakkaustekniikoita vastatakseen jännitteen noususta sekä korkeampien virtojen tuottamasta lämmöstä aiheutuviin eristyshaasteisiin. Lisäksi ICS:t mahdollistavat tehokkaamman valmistusprosessin, koska ne voidaan latoa automaattisesti piirilevyille SMD-rakenteensa ansiosta.

2. Miksi LEM päätti kehittää ICS-piirit itse, talon sisällä?

LEM on kehittänyt virta-antureita yli 50 vuoden ajan useille eri toimialoille ja oli luonnollista jatkaa asiakkaidemme tukemista miniatyrisoidun tehoelektroniikan suunnitteluhaasteiden ratkaisemisessa. Yksi ICS-portfolion tavoitteista on tarjota vaihtoehto shunteille. Integroidun suunnittelunsa ja sisäänrakennetun signaalinkäsittelyn ja -eristyksen ansiosta ICS-piiri tuo kompaktimman ja tehokkaamman eristyksen kuin shuntti, jossa on eristetty vahvistin tai digitaalinen isolaattori.

Järjestelmäosaamisemme ansiosta uskomme, että meillä on hyvät mahdollisuudet suunnitella, kehittää, suunnitella ja myydä oikeita ICS-tuotteita ja tuoda markkinoille uutta arvoa innovatiivisilla koteloratkaisuilla, parannetulla suorituskyvyllä ja tasaisella laadulla. Pohjaamme tässä monivuotiseen talonsisäiseen puolijohdesuunnittelu-, testaus- ja valmistuskokemukseemme tuottaaksemme oikean piirirakenteen ja pitkän aikavälin strategian sekä teknologian, että tuotesuunnitelmien osalta.

3. Mikä oli asiakaspalautteen rooli integroitujen virta-anturien kehittämisessä, erityisesti kun haluttiin tunnistaa tärkeimmät ominaisuudet, joita käyttäjät toivovat näiltä antureilta?

Samalla kun jännite ja virta kasvavat jatkuvasti, on tärkeää ymmärtää, mikä sovelluksen "tehtäväprofiili" on, eli millaisen suoritustason järjestelmän odotetaan saavuttavan? Tämä ohjaa eristysvaatimuksia ja kotelon virtakyvykkyyksiä. Myös tehoelektroniikkajärjestelmät ovat yhdistelmä laitteisto- ja ohjelmistovaatimuksia. Esimerkiksi järjestelmän ohjaustapa vaikuttaa vaadittuun tarkkuuteen ja näytteenottotaajuuteen ja siten anturin kaistanleveyteen. Vastaavasti standardit ja normit, joita asiakkaan on noudatettava, vaikuttavat anturin ominaisuuksiin. Viimeisenä, mutta ei vähäisimpänä, osan testaus asiakkaan järjestelmäympäristössä varmistaa, sopiiko anturi tehtävään. Testaus antaa myös käsityksen siitä, miten anturia tulisi käyttää odotetun suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Virta-anturien koko on kutistumassa koko ajan.

4. Miten HMSR-sarjan ominaisuudet vastaavat tehoelektroniikkainsinöörien tarpeisiin, erityisesti koskien suurjännite- ja suurvirtasovelluksia, sekä ulkoisten kenttien sietokykyä?

Jännitteet ovat ehdottomasti muuttumassa korkeammiksi. Tämä ohjaa eristysvaatimuksia vaaditun turvallisuus- ja asiakassuojan tason mukaan, joko perustasolla tai vahvistettuna. Tämä pätee sekä anturin sisällä (läpiyöntijännite sisäisen oikosulun välttämiseksi) että ulkopuolella korkeajännitteisen ensiöpiirin ja pienjännitteisen toisiopiirin välisten ryömintä- ja välysetäisyyksien osalta. HMSR-antureissa tämä on 8 millimetriä (dCl/dCp) 800 voltin sovelluksissa. Suurvirtasovelluksissa HMSR sisältää suuren ensiöjohtimen, jonka ansiosta anturi pystyy vastaanottamaan erittäin suuren virran sulamatta. Piiri on mitoitettu enintään 20 kA:n impulssivirralle.

Ulkoisten kenttien sietokyvyn osalta ICS-tuotteet käyttävät differentiaalimittausta. Kaksi anturielementtiä havaitsee samat magneettikentät vastakkaisilla polariteeteilla, ja yhdistämällä näiden kahden mitatun kentän erot voidaan ei-toivotut ulkoiset kentät kumota samalla kun asiaankuuluvat kentät summataan. Lisäksi HMSR käyttää sisäistä mikroydintä, joka luo luonnollisen esteen ulkoisille kentille ja keskittää mitattavan magneettikentän.

5. HMSR DA -piiriä on kehuttu markkinoiden ensimmäisenä ICS-piirinä, joka tarjoaa Sigma Delta -bittivirran ulostulon. Mikä on tämän digitaalisen lähdön merkitys, erityisesti vasteajan, kvantisointikohinan vähentämisen ja digitaalisten suotimien käytön etujen suhteen?

HMSR DA:n ∑∆-digitaalilähdön erinomaisuus piilee siinä, että se tarjoaa huomattavasti paremman suorituskyvyn resoluutiossa ja kohinan vähentämisessä verrattuna perinteisiin analogisiin jännitelähtöihin. Samalla asiakas voi määrittää suodatuksen ja näytteenoton hyväksyttävän vasteajan (viiveen) mukaan. Esimerkiksi korkearesoluutioiselle ulostulolle käytetään korkealuokkaista hitaampaa suodatinta. Nopeamman tuloksen saamiseksi pienemmällä resoluutiolla käytetään nopeampaa suodatinta. Tämän seurauksena signaali-kohinasuhde on paljon korkeampi. Myös korkeampi OSR (ylinäytteistyssuhde) lisää viivettä, mutta parantaa resoluutiota. Anturi voi mukautua asiakkaan yksilöllisiin tarpeisiin.

6. Mitä etuja HMSR DA:n Sigma Delta -bittivirtalähtö tuo muihin digitaalisen lähdön antureihin, ICS- tai virranmittausratkaisuihin verrattuna?

∑∆-bittivirta on digitaalinen signaali, joka välittää tiedon tarkemmin kuin analoginen jännitelähtö. Tämä resoluutio mitataan tehollisten bittien lukumääränä (ENOB). HMSR DA -digitaalilähdössä on enintään 13 tehollista bittiä, kun taas analogisella lähdöllä varustetussa vertailussa on yhdeksän tehollista bittiä. Jokaista lisäbittiä kohden resoluutio kerrotaan kahdella. Tämä on niiden tietojen lukumäärä, joissa signaali jaetaan käsiteltäväksi. Mitä suurempi luku, sitä tarkempi digitaalinen aaltomuoto on verrattuna todelliseen alkuperäiseen signaaliin ilman kohinaa.

Muut ICS-piirit tuottaisivat ja poimisivat enemmän kohinaa. HMSR DA:n integroidun eristyksen ja ASIC-piirin myötä tulevan vahvistuksen, kompensoinnin ja AD-muunnoksen ansiosta se on kustannustehokas ja kompaktimpi ratkaisu korvaamaan shuntti ja digitaalinen eristin suurjännitesovelluksissa kuten teollisuuden servoroboteissa.

∑∆-lähtö on erittäin joustavasti käytettävissä.

7. Mitkä ovat ne sovellukset, joissa HMSR DA:n valinta on järkevintä? Kuinka HMSR DA:n digitaalinen lähtö vastaa kohina- ja häiriöhaasteisiin näissä sovelluksissa?

HMSR DA:n tärkeimmät sovellukset ovat servokäytöt, joissa moottorin ohjaussilmukka tarvitsee tulosignaalin, jonka aaltomuoto on mahdollisimman lähellä alkuperäistä virtasignaalia. Tulosignaalissa voi jopa olla viive, jotta saavutetaan erittäin tarkka paikannus, kuten esimerkiksi teollisessa robottikädessä. Ylinäytteistyksen (OSR) ja suodatuksen ansiosta korkea tehokas resoluutio ja alhainen kohina tekevät tämän mahdolliseksi.

Pidemmillä, langallisilla etäisyyksillä digitaalinen signaali ei ”saastu” EMI:stä, kuten analoginen signaali. Tämä mahdollistaa myös taajuusmuuttajan sijoittamisen etäälle servomoottoreista ja antaa jonkin verran vapautta koko järjestelmän, esimerkiksi robotin suunnitteluun. Koska tästä seuraava viive on vakio (kiinteä) tietylle OSR:lle ja suodatusjärjestykselle, on mahdollista ottaa tämä huomioon vaarantamatta järjestelmän suorituskykyä.

KUVA: Ylinäytteistys säilyttää tarkan resoluution useimmissa tapauksissa.

8. Miltä LEM:n tulevaisuuden tavoitteet integroitujen virta-anturien suhteen näyttävät? Miten nämä edistysaskeleet vaikuttavat anturin suorituskykyyn ja sovellusalueeseen?

Jännite ja virta kasvavat jatkuvasti, ja järjestelmän tehokkuustavoitteet ovat kovemmat kuin koskaan. Tämä tarkoittaa entistä tarkempaa ohjaussilmukkaa, joka edellyttää parempaa ohjelmistoa ja reagoivampaa laitteistoa. Tämän seurauksena tarkkuutta on parannettava koko mittausasteikolla, 1 ampeerista satoihin ampeereihin. Digitaalisissa sovelluksissa suurempi kellotaajuus auttaa nostamaan lähtösignaalin tehollista resoluutiota ja tarkkuutta korkeamman suuremman tehollisen bittimäärän ansiosta.

Lisäksi koko ICS-portfoliossa suurempi hyötysuhde voidaan saavuttaa nopeampien SiC- tai GaN-transistoreiden ansiosta. Tämänhetkisillä antureilla näytteenottotaajuuden on oltava jopa 10 kertaa järjestelmän kytkentätaajuutta suurempi, jotta päästään erittäin tarkkaan ohjaussilmukkaan. Tällä on suora vaikutus anturissa vaadittavaan kaistanleveyteen. Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä koteloteknologiat kehittyvät jatkuvasti selviytyäkseen korkeammista eristystasoista: 1000 V:n sovelluksia on jo näköpiirissä. Lisäksi lämmönjohtaminen paranee.

9. Miten LEM kannustaakseen insinöörejä ottamaan käyttöön HMSR-teknologian, ja miten HMSR DA sopii laajempaan digitaalisen ICS-kehityksen suunnitelmiin?

LEM:llä on kattava valikoima ICS-piirejä, jotka korvaavat eristetyn (digitaalisen) vahvistimen shuntteja ja kutistavat tarvittavaa piirilevytilaa. Sovelluksesta riippuen on olemassa monia vaihtoehtoja löytää oikea asettelu ∑∆-digitaalilähdöllä varustetun anturin integroimiseksi omaan suunnitteluun: ylinäytteenottosuhde (OSR), suodatusjärjestys, tarvittava viive, tarvittava tehokas resoluutio... oikea ratkaisu on mahdollista löytää samalla, kun suorituskyky pysyy huipputasolla. Esimerkiksi siirtyminen OSR 256:sta OSR 128:een jakaa viiveen kahdella, mikä on hyödyllistä, mutta heikentää resoluutiota vain 0,5 bitillä (13,3:sta 12,8:aan teholliseen bittiin).

Jos ajatellaan digitaalisuutta laajemmin, toinen keskeinen suorituskykyyn vaikuttava tekijä on kellotaajuus. Kuten mainittiin, suurempi kaistanleveys tarkoittaa parempaa tehollista resoluutiota. Tällä hetkellä digitaalinen tuotevalikoima keskittyy pääasiassa servokäyttöihin, joilla on erityistarpeita tehokkaan resoluution ja viiveen suhteen. Uudet kehitysaskeleet tulevat laajentamaan valikoimaa kaikkiin sovelluksiin, joissa signaalin siirtäminen hyvin vähäisellä säröllä kohinaisissa ympäristöissä pitkiä matkoja on avainasemassa, yhdessä tiukempien ENOB- ja signaaliviivevaatimukset. Digitalisaatio on vasta alussa.