ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ETNdigi-superbanner
2026  # megabox

IN FOCUS

3D-piirit pakottavat suunnittelun huomioimaan lämmön, tehon ja mekaniikan

3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

Sep # TME square
TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

Virran mittaus onnistuu piirilevyjohtimien avulla

Tietoja
Kirjoittanut Veijo Ojanperä
Julkaistu: 19.05.2025
  • Devices
  • Test & measurement
  • Power

ETN - Technical articleKun suunniteltavassa elektroniikkapiirissä tarvitaan virran mittaamista, siihen käytetään yleensä erillistä mittausvastusta. Joskus houkutteleva vaihtoehto on käyttää virtamittaukseen piirilevyn omia johtimia eli kupariliuskoja. Se onnistuu, mutta hyödyntämiseen liittyy joitakin kompromisseja.

Artikkelin on kirjoittanut Microchip Technologyn validointi-insinööri Jerry Steele, jolla on yli 30 vuoden kokemus analogia- ja tehoelektroniikasta. Hän on aiemmin työskennellyt Apexilla, National Semiconductorilla, TI:llä ja ON Semiconductorilla. Tehtävät ovat vaihdelleet sovellusinsinööristä strategiseen kehitysinsinööriin.

Virtamittaukseen käytettävä erillinen vastus eli ’virtashuntti’ tarvitaan kuormavirran tarkkaan mittaamiseen. Tämä shunttivastus sijoitetaan sarjaan kuorman kanssa ja se synnyttää jännitehäviön, joka on verrannollinen shuntin läpi kulkevaan virtaan.

Suurivirtaisissa sovelluksissa shunttivastukselle vaadittava resistanssiarvo voi nousta korkeaksi, jolloin se synnyttää huomattavan tehohäviön, joka haihtuu lämpönä ympäristöön. Tällaisissa tapauksissa piirilevyn (PCB) kuparijohtimen hyödyntäminen shunttivastuksena saattaa tarjota toimivan ratkaisun. Yksi johdinliuskojen käytön merkittävä ongelma on kuitenkin kuparifolion resistanssin lämpötilakerron +0,39 %/°C, joka tuo mittaukseen epätarkkuutta lämpötilan muuttuessa.

Piirilevyn kuparijohtimen käyttämiseen shunttina liittyy joitakin vaikeuksia, erityisesti kuparin alhaisen resistanssin vuoksi. Sen takia joko mittaussignaali jää niin alhaiseksi, että vaaditaan melko haastavia vahvistinratkaisuja, tai vaaditun vastusarvon edellyttämä johtimen pituus nostaa kustannuksia piirilevyllä tarvittavan lisätilan vuoksi. Levyalan käyttöön vaikuttavat myös resistanssiarvoille vaaditut toleranssit.

Kapeampi johdinliuska vähentäisi tarvittavaa pituutta ja siten myös levyn pinta-alaa, mutta piirilevyn syövytyksen toleranssit sanelevat yleensä minimileveydeksi noin 0,4 – 0,6 millimetriä. Toinen huomattava ongelma on kuparin lämpötilakerroin +0,39 %/°C, joka tarkoittaa käytännössä sitä, että tietyllä virralla jännitehäviö kasvaa 20 % lämpötilan noustessa 50 astetta.

On myös syytä huomata, että johdinliuskojen dimensioiden toleranssit vaikuttavat suoraan resistanssiarvoon. Piirilevyn syövytysprosessin sanelema johdinliuskojen reunojenhallinnan tarkkuus määrää yleensä niille hyväksyttävän minimileveyden.

Tarkka mittaus johdinliuskoilla

Seuraavassa esiteltävä lämpötilakerrointa koskevan ongelman ratkaisutapa hyödyntää piisirujen suunnittelussa yleisesti käytettäviä tekniikoita sekä geometrista suhteutusta absoluuttisten arvojen käyttämisen sijaan. Tämäkään menetelmä ei silti ole täysin ongelmaton, koska syntyvät jännitehäviöt ovat erittäin pieniä, usein alle 10 mV.

Onneksi nykyaikaiset zero drift -tyyppiset operaatiovahvistimet (autonollaus, hakkuri) tarjoavat valmiin ratkaisun alhaisen jännitehäviön ongelmaan. Kuten seuraavasta havaitaan, perustarkkuuden saavuttamisessa on edelleen joitakin rajoituksia, vaikka kalibroinnin jälkeen menettely voikin olla erittäin tarkka.

Ideana on luoda johdinliuskoista kaksi vastusta, joiden geometrinen suhde määrittää vahvistuskertoimen. Tarkastellaan esimerkiksi suurivirtaista polkua (RSHUNT), jonka (normalisoidut) mitat ovat: pituus L = 1 ja leveys W = 10. Vahvistuskertoimen määräävälle elementille (RG) puolestaan muodostetaan toinen liuskakuvio, jossa L = 10 ja W = 1. Tämä antaa dimensiosuhteeksi ja siten myös resistanssisuhteeksi 100:1.

Koska vahvistusvastuksen on tarkoitus lämpökompensoida suurivirtaista polkua RSHUNT, se tulisi sijoittaa symmetrisesti ja lähelle RSHUNT-elementtiä. Kuvassa 2 nähdään periaatekaavio shunttina toimivan kuparisen piirilevyjohtimen ja vahvistuskertoimen määrittävän johdinliuskan suhdesovituksesta perusvirheiden sekä lämpötilavirheiden minimoimiseksi. Vastusliuskojen sijoittelussa hyödynnetään liuskojen mittasuhteita ja lomittelua.

Kuvassa 1 nähdään yksinkertaistettu kaavio, joka havainnollistaa konseptin alustavassa testauksessa käytettyä peruspiiriä. Operaatiovahvistin ohjaa MOSFET-transistoria, joka syöttää tarvittavan takaisinkytkentävirran vahvistusvastuksen kautta sekä mitattavaan virtaan verrannollisen lähtöjännitteen.

Tämä on ’alemman puolen’ mittausta varten suunniteltu peruspiiri, jossa virtashuntin toinen napa on kytketty maahan ja vahvistimen lähtöä verrataan suhteessa maatasoon. On huomattava, että tämä piirirakenne vaatii operaatiovahvistimen, jolla on erittäin pieni tulopuolen offset, kuten zero drift -vahvistimilla (tässä Microchipin MCP6V76-sarjan vahvistin, jonka suurin tulo-offset on 25µV).

On hyvä huomata, että yksinkertaistetussa piirikaaviossa resistanssien R3 ja RG läpi kulkeva virta on aina tulovirran sekä vastusten RSHUNT ja RG suhdeluvun funktio. Vastusten RSHUNT ja RG todellisten resistanssien kokonaisarvon tulee vain olla sellainen, että virta pysyy mosfetin T1 vaatimissa rajoissa. Vastusten RSHUNT ja RG suhde voidaan määrittää seuraavasti:

Tämä virta määrää suhteen, jossa lähtövirta on tietty murto-osa tulovirrasta, joka puolestaan on verrannollinen geometriseen suhteeseen. Vastuksen R3 yläpäässä vaikuttavaa jännitettä käytetään lähtöjännitteenä ja sitä voidaan säätää vahvistuksen asettamiseksi mihin tahansa haluttuun arvoon. Käytännön esimerkki vastusten RSHUNT ja R3 sijoittelusta piirilevylle alemman puolen virtamittauspiirissä nähdään kuvissa 2 ja 3.

 

Kuva 1. Peruspiiri alemman puolen virtamittausta varten. Siinä hyödynnetään piirilevyn kupariliuskoista muodostettua lämpötilakompensoitua shunttivastusta.

Kuva 2. Johdinliuskoista muodostettujen shuntti- ja vahvistusvastusten piirilevysijoittelun periaate.

 

Kuva 3. Lähikuva testilevystä, jolle on asetettu myös kolikko todellisen koon mittapuuksi. Pisteiden TP6 ja TP7 välillä kulkeva johdinliuska on shunttivastus RSHUNT. Vastaavasti pisteiden TP6 ja TP8 välinen kuparijohdin muodostaa vahvistusvastuksen RG. Kolikon alle jäävässä osassa on samanlainen käyttämätön piiri.

Suorituskyvyn mittaukset

Kuvan 1 kytkentä toteutettiin alemman puolen mittausta varten havainnollistamaan kupariliuskojen kompensointia. Absoluuttiseen tarkkuuteen ei pyritty, ja arvot normalisoitiin taulukossa esitettyjen mittausten mukaisesti.

Operaatiovahvistinta MCP6V76 hyödyntävällä testauskortilla tallennettiin taulukossa nähtävät lämpötilaryöminnän arvot välillä 25°C – 125°C. Virheet pysyivät samalla tasolla yli sataan asteeseen, ja suuren osan virheestä 125 asteen lämpötilassa voidaan tulkita johtuvan muiden komponenttien, kuten perinteisen vahvistusvastuksen ja vahvistimen, ryömimisestä.

 

 

Ylemmän puolen mittaus

Ylemmän puolen anturiversio voidaan rakentaa kuvan 4 mukaisesti virtaohjaimen avulla toteutetulla mittauspiirillä, joka tunnetaan yleisesti nimellä ’Current Drive Current Sensing’.

Kuva 4. Virtaohjaimen avulla toteutettu mittauskytkentä ’Current Drive Current Sensing’.

Virtaohjauspiiri soveltuu hyvin johdinliuskojen kompensointimenettelyyn, jossa RCuSHUNT ja RCuGAIN1 ovat piirilevyn kupariliuskoja. RG on tavanomainen vastus, jonka resistanssiarvo valitaan halutun vahvistuksen mukaisesti. Zenerdiodi Z1 toimii operaatiovahvistimen koko syöttöjännitteen (rail-to-rail) regulaattorina. Diodi D1 suojaa tuloastetta kuorman mahdollisen oikosulun varalta.

 

Erillinen shunttivastus harkintaan

Kun virran mittaamista toteutetaan hyödyntämällä piirilevyn johdinliuskoja, hyvin pian havaitaan keskeinen syy, miksi vastuskomponentit ylipäänsä on keksitty. Tarkkaan mittaamiseen tarvittava johdinliuskojen yhteispinta-ala kasvattaa aina huomattavasti enemmän levytilaa kuin erillinen shunttivastus.

Kannattaa myös pitää mielessä, että huippuluokan mittausvahvistimen offset-jännite on luokkaa 5 – 10 µV ja kohtuullinen tarkkuus alkaa täyden skaalan jännitehäviöillä kertaluokkaa tämän yläpuolella. Kun kaikki mainitut tekijät otetaan huomioon, on helppo todeta, että fyysisesti pienikokoisin ratkaisu suosii erillistä shunttivastusta.

Kuvassa 5 on esimerkki, joka havainnollistaa erillisen shunttivastuksen ja mittausvahvistimen käytön yksinkertaisuutta. Shuntti tarjoaa tarkan resistanssin ja alhaisen lämpötilakertoimen.

Nykyaikaiset alhaisen offsetin zero drift -mittausvahvistimet puolestaan mahdollistavat shunttivastuksen vähäiset jännitehäviöt, mikä parantaa hyötysuhdetta ja usein myös antaa mahdollisuuden fyysisesti pienikokoisemman shuntin käyttämiseen alhaisemman tehohäviön ansiosta. Sekä yksi- että kaksisuuntaiset piirit voidaan myös luoda melko kivuttomasti.

Kuva 5. Erillistä shunttivastusta hyödyntävän virtamittauksen vahvistinkytkentä, jossa käytetään Microchipin mittausvahvistinta MCP6C02-100.

MORE NEWS

Operaattori tuo parhaan Wi-Fin Suomeen

Suomeen laajentunut ruotsalaisoperaattori Bahnhof on päässyt testaamaan ensimmäisten joukossa tulevaa Wi-Fi 8 -tekniikkaa. Esisarjalaitteilla tehdyssä testissä Wi-Fi 8 oli haastavissa olosuhteissa keskimäärin 54 prosenttia Wi-Fi 7:ää nopeampi. Ensimmäisiä Wi-Fi 8 -reitittimiä odotetaan markkinoille ensi vuoden alussa.

Unohda datalehdet! Kerro tekoälylle, mitä haluat suunnitella

Elektroniikkasuunnittelu on saamassa uuden lähtöpisteen. NXP:n verkkosivuilla suunnittelija voi nyt kertoa tekoälylle, millaisen laitteen haluaa rakentaa. Celusin tekniikka ehdottaa sen perusteella järjestelmäarkkitehtuurin ja sopivat NXP-komponentit ja vie suunnitelman aina kytkentäkaavioon asti.

Erillisverkot valjastaa 5G-verkon droonien havaitsemiseen

Erillisverkot on testannut Helsingissä tekniikkaa, jolla luvattomia drooneja voidaan havaita, paikantaa ja seurata 5G-verkon avulla. Vuosaaren satamassa tehdyssä kokeessa droonin ei tarvitse olla yhteydessä verkkoon tai lähettää omaa radiosignaaliaan tullakseen havaituksi.

Yhdelle palvelimelle jo 12 teratavua DDR5-muistia

Micron on esitellyt uuden 512 gigatavun DDR5 RDIMM -muistimoduulin, jonka avulla kaksikantaiseen palvelimeen voidaan asentaa jopa 12 teratavua keskusmuistia. Uutuus yltää jopa 9 200 MT/s:n siirtonopeuteen.

Tämä kamera näkee 96 väriä

Belgialainen mikroelektroniikan tutkimuslaitos imec on saanut uuden 96-kaistaisen hyperspektrianturinsa kaupalliseen tuotantovaiheeseen. Suoraan CMOS-kennolle integroidut spektrisuodattimet mahdollistavat hyperspektrikuvauksen tavallisen RGB-kameran kokoisella laitteella.

Puheluun ei tarvitse enää vastata

Suomalainen ei tunnetusti mielellään puhu, eikä kohta tarvitse puhua enää puhelimessakaan. Elisa, Nokia ja Scailarc esittelivät Helsingissä uuden tekniikan, jossa puhelun syyn näkee jo ennen vastaamista ja asian voi jopa hoitaa puhumatta sanaakaan.

Pendulum mittaa tehon ja taajuuden 27 gigahertsiin

Pendulum Instruments on tuonut markkinoille PFA-127-analysaattorin, joka yhdistää mikroaaltosignaalien tehon ja taajuuden mittauksen samaan laitteeseen. Pulssitetuilla RF-signaaleilla laite mittaa rinnakkain myös pulssin leveyden ja toistovälin.

Spansion-nimi tekee paluun flash-markkinoille

Taiwanilainen Winbond ostaa Infineonin NOR Flash- ja F-RAM-liiketoiminnan 1,12 miljardilla dollarilla. Kaupan toteuduttua liiketoiminta saa nimekseen Spansion. Alalla pidempään toimineet muistavat nimen hyvin, sillä sen juuret ulottuvat AMD:n ja Fujitsun flash-muisteihin yli kahden vuosikymmenen taakse.

Lattice toi tekoälyn FPGA-suunnitteluun

Lattice Semiconductor tuo tekoälyn avuksi FPGA-piirien suunnitteluun. Uusi ilmainen Lattice Prompt -työkalu antaa suunnittelijan kuvata haluamansa toiminnon luonnollisella kielellä ja vie tehtävän aina käännökseen, simulointiin ja validointiin asti.

Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

ETN - Technical articleAnritsu tuo verkon suorituskyvyn mittauksen paikkoihin, joihin fyysisiä testilaitteita on hankala viedä. Virtual Network Master -ratkaisun ohjelmistopohjaisilla testipisteillä voidaan mitata datakeskus-, pilvi-, 5G- ja edge-yhteyksien välityskykyä, latenssia, viivevaihtelua ja kehyshäviöitä.

Rikolliset myyvät pääsyä kaupallisiin kielimalleihin

Varastetuista tekoälypalvelujen käyttöoikeuksista on syntynyt oma rikollinen markkinansa. Check Point Researchin mukaan kaupan on pääsyä kaupallisiin kielimalleihin, niiden turvarajojen kiertämistä sekä rajoittamattomia malleja haittaohjelmien ja haavoittuvuuksien hyödyntämisratkaisujen kehittämiseen.

Kvanttiturvallista ohjausta FPGA-piirillä

Lattice Semiconductor tuo markkinoille Mach-N2-FPGA-perheen järjestelmien ohjaukseen ja suojaukseen. Piireihin yhdistyvät integroitu flash-muisti, laitteistopohjainen Root of Trust ja CNSA 2.0 -vaatimusten mukainen post-kvanttisalaus.

Pitääkö kvanttitekniikkaa pelätä?

Pitääkö kvanttiteknologiaa pelätä samalla tavalla kuin tekoälyä tai autonomisia järjestelmiä? Kysymys nousi esiin keskiviikkona Espoossa Nordeep-tapahtuman tulevaisuuden laskentaa käsitelleessä paneelissa. Vastaus oli varsin yksimielinen. Kvanttiteknologiaa ei tarvitse pelätä.

PX5 on nopein RTOS

PX5 RTOS nousi nopeimmaksi reaaliaikakäyttöjärjestelmäksi Beningo Embedded Groupin vuoden 2026 suorituskykyvertailussa. PX5 voitti kaikki seitsemän varsinaista suorituskykytestiä, kun käyttöjärjestelmät käännettiin raportin päävertailussa samalla GCC:n -Ofast-optimoinnilla.

Tarkka etäisyysmittaus tulee halpoihin Bluetooth-tageihin

Bluetoothin uusi tarkka etäisyysmittaus on tulossa myös pieniin ja edullisiin IoT-laitteisiin. Nordic Semiconductorin uusi nRF54LC10A tuo Bluetooth Channel Sounding -tekniikan erityisesti tageihin, seurantalaitteisiin ja yksinkertaisiin älykotisensoreihin.

Rakettitiede ostaa Sysartin: lähes 90 kehittäjän joukko pystyy isompiin hankkeisiin

– Nyt pystymme yksinkertaisesti tekemään isompia asioita, kun on enemmän tekijöitä, Rakettitieteen toimitusjohtaja Juha Huttunen kiteyttää yhtiön historian ensimmäisen yrityskaupan.

Fujitsu avasi kvanttisovellusten kehitysalustan kaikille

Fujitsu on julkaissut avoimena lähdekoodina kvanttisovellusten kehittämiseen tarkoitetun OpenQARP-ohjelmistonsa. Paketti tarjoaa yli sata ohjelmistokomponenttia, joiden avulla kvanttialgoritmeja voidaan rakentaa valmiista osista sen sijaan, että toteutus pitäisi ohjelmoida alusta lähtien.

Klinkmann vie data-analytiikan Liettuan kantaverkkoon

Suomalainen Klinkmann toimittaa data- ja analytiikkaratkaisun Liettuan kantaverkkoyhtiö Litgridille. Ratkaisulla kerätään, visualisoidaan ja analysoidaan sähköverkon operatiivista dataa, jotta verkon tilannekuvaa ja päätöksentekoa voidaan parantaa.

Kuinka kaukaa data ehtii millisekunnissa?

Pilvipalvelu voi tuntua paikalta, jolla ei ole fyysistä sijaintia. Reaaliaikaisissa sovelluksissa maantiede tulee kuitenkin nopeasti vastaan. Jos järjestelmän pitää reagoida millisekunnissa, palvelun pitäisi internetin verkko-operaattori DE-CIX:n laskelman mukaan sijaita alle 80 kilometrin päässä käyttäjästä.

Akku voi tehdä rahaa monella tavalla

Akkuvarastoa ei tarvitse käyttää vain sähkön varastoimiseen halvalla ja purkamiseen kalliilla. Saksalaisen Furon ohjelmisto optimoi reaaliajassa useita käyttötapoja ja valitsee jatkuvasti, missä akun kapasiteetista saadaan paras taloudellinen hyöty.

Sep # puffbox mobox till tme native
2026  # mobox för megabox
Sep  # puffbox mobox till square
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Näin verkon suorituskykyä mitataan ilman mittalaitteita

ETN - Technical articleAnritsu tuo verkon suorituskyvyn mittauksen paikkoihin, joihin fyysisiä testilaitteita on hankala viedä. Virtual Network Master -ratkaisun ohjelmistopohjaisilla testipisteillä voidaan mitata datakeskus-, pilvi-, 5G- ja edge-yhteyksien välityskykyä, latenssia, viivevaihtelua ja kehyshäviöitä.

Lue lisää...

OPINION

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Operaattori tuo parhaan Wi-Fin Suomeen
  • Unohda datalehdet! Kerro tekoälylle, mitä haluat suunnitella
  • Erillisverkot valjastaa 5G-verkon droonien havaitsemiseen
  • Yhdelle palvelimelle jo 12 teratavua DDR5-muistia
  • Tämä kamera näkee 96 väriä

NEW PRODUCTS

  • 140 watin USB-C-laturi yltää 96 prosentin hyötysuhteeseen
  • ST vähentää komponentteja kilowattiluokan teholähteistä
  • 80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä
  • Uusi piiri tasapainottaa litiumkennot nopeammin
  • Mediatekin uusin tuo kielimallit kodinkoneisiin
 
 

Section Tapet