ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ECF26 infobanner

IN FOCUS

AI-agentit tuovat älykkään automaation piirien ja piirilevyjen suunnitteluun

Puolijohde- ja piirilevysuunnittelun seuraavaa vaihetta määrittävät kaksi rinnakkaista tavoitetta. Ensinnäkin halutaan kasvattaa suunnittelutyökalujen suorituskykyä. Lisäksi on tärkeää parantaa suunnittelijoiden tuottavuutta.

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

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

Bittium uskoo puolustusbuumin jatkuvan pitkään

Bittiumin vahva kasvu ei yhtiön mukaan ole vain Ukrainan sodan synnyttämä hetkellinen ilmiö. Toimitusjohtaja Petri Toljamo arvioi puolivuosikatsauksen yhteydessä järjestetyssä lehdistötilaisuudessa, että Euroopan puolustusinvestoinnit jatkuvat korkealla tasolla vielä pitkään, vaikka Ukrainaan saataisiin rauha.

Joko taittuvien puhelimien läpimurto alkaa?

Samsungin uusien Galaxy Z -mallien ennakkotilaukset ovat kasvaneet Euroopassa yli 20 prosenttia viime vuodesta. Vaikka taittuvanäyttöiset puhelimet ovat edelleen vain pieni osa koko älypuhelinmarkkinaa, yhtiön mukaan kysyntä on nyt selvästi aiempaa vahvempaa.

Tekoäly tekee nopeuskamerasta monitoimivalvojan

Euroopan teille on tulossa uuden sukupolven nopeusvalvontajärjestelmiä, joissa perinteinen tutka vaihtuu yhä useammin tekoälyä hyödyntävään konenäköön. Samalla nopeuskameroiden tehtävä laajenee pelkästä ylinopeuden mittaamisesta useiden eri liikennerikkomusten automaattiseen tunnistamiseen.

Natriumakku lähestyy litiumionin tasoa

Kiinalaisen Hina Batteryn kaupallinen natriumioniakku yltää valmistuslaadultaan ja useissa suorituskykymittauksissa jo nykyaikaisten litiumioniakkujen tasolle. RWTH Aachenin yliopiston tutkimuksessa analysoitiin 120 sylinterimäistä 10 ampeeritunnin kennoa.

Joensuulainen SeeTrue ratkoo älylasien suurinta ongelmaa

Joensuulainen SeeTrue Technologies on kerännyt 2,2 miljoonan euron rahoituskierroksen. Kierrosta johtaa optiikka- ja fotoniikkajätti ZEISSin sijoitusyhtiö ZEISS Ventures. Rahoituksella SeeTrue aikoo kaupallistaa vähävirtaista silmänseuranta-arkkitehtuuriaan älylaseihin, terveydenhuollon optisiin järjestelmiin ja teollisiin sovelluksiin.

Uusi muististandardi tuo suuret tekoälymallit puhelimeen

Samsungin ja Kioxian julkistamat ensimmäiset UFS 5.0 -flashmuistit kertovat, että mobiiliteollisuus valmistautuu seuraavaan vaiheeseen laitteessa ajettavassa tekoälyssä. Uusi muististandardi lähes kaksinkertaistaa tiedonsiirtonopeuden aiempaan sukupolveen verrattuna ja poistaa yhden keskeisistä pullonkauloista suurten kielimallien suorittamisessa suoraan päätelaitteessa.

Selainkeksi kelpaa rikolliselle paremmin kuin salasana

Selaimen tallentamasta keksistä on tullut kyberrikollisille arvokkaampi saalis kuin salasanasta. NordVPN:n tutkijoiden analysoimissa tietovarkausaineistoissa evästetietoja esiintyi 4,6 kertaa enemmän kuin salasanoja, tiedostoja ja maksukorttitietoja yhteensä.

PCIe 6.0 tuo SSD-levyt AI-palvelimien seuraavaan vauhtiluokkaan

Kioxia on esitellyt ensimmäiset PCIe 6.0 -väylää hyödyntävät yritysluokan SSD-levynsä. Uutuus ei tähtää tavallisiin palvelimiin vaan tekoälyklustereihin, joissa nopea flash-muisti toimii GPU-muistin jatkeena suurten kielimallien ajossa.

Promptit ovat uusi tietoturvariski

Työntekijöiden tekoälyn käyttö on synnyttänyt yritysverkkoihin uudenlaisen tietoturvahaasteen. Verkossa liikkuu yhä enemmän AI-prompteja, autonomisten agenttien kutsuja ja MCP-yhteyksiä, jotka voivat sisältää lähdekoodia, liiketoimintatietoa tai muuta arkaluonteista aineistoa. Perinteiset palomuurit eivät ole osanneet tunnistaa tällaista liikennettä.

Sulautettu linux kertoo itse, mistä se koostuu

Saksalainen Sysgo on julkaissut ELinOS 8 -käyttöjärjestelmän, joka kertoo automaattisesti, mistä sulautetun laitteen ohjelmisto on rakennettu. Uuden version kärki on jokaisessa käännöksessä syntyvä ohjelmiston tuoteseloste eli SBOM.

Varateho voi pahentaa datakeskuksen lämpöongelmaa

ETN - Technical articleTekoälypalvelinten kasvava tehotiheys tekee datakeskusten varmistamisesta aiempaa monimutkaisempaa. Ylimääräiset teholähteet voivat parantaa käyttövarmuutta, mutta samalla ne lisäävät lämpökuormaa ja häiritsevät ilmavirtoja. Siksi tehonsyöttö, varmennus ja jäähdytys on suunniteltava yhtenä kokonaisuutena.

Reunaäly vaatii uudenlaisen siruarkkitehtuurin

Paikallinen tekoälylaskenta voi tyhjentää pienen laitteen akun jo ennen lounasta. Ambient Scientificin mukaan ongelmaa ei ratkaista vain tehokkaammilla prosessoreilla, vaan siirtämällä laskenta mahdollisimman lähelle muistia.

Tekoälypalvelin saa lisää muistivauhtia

Renesas nostaa DDR5-palvelinmuistin nopeuden 16 000 megasiirtoon sekunnissa. Kolmannen sukupolven MRDIMM-piirisarja kasvattaa muistiväylän kaistanleveyttä 25 prosenttia ilman siirtymistä kokonaan uuteen muistitekniikkaan.

Iceye paljastaa pimeänä matkaavat varjolaivat

Aluksen paikannuslähettimen sammuttaminen ei enää riitä peittämään sen liikkeitä. Iceyen tutkasatelliitit havaitsevat merellä liikkuvat alukset pilvien, sateen ja pimeyden läpi, minkä jälkeen tekoäly tunnistaa kuvasta epäilyttävät kohteet, yhtiö kertoo blogissaan.

Nigel-tekoäly laajenee LabVIEW-testaamiseen

Emerson laajentaa NI Nigel-tekoälyn koko LabVIEW+-ohjelmistoperheeseen. Samalla Nigel siirtyy neuvonantajasta tekijäksi. Tekoäly voi tuottaa LabVIEW-koodia ja rakentaa TestStand-testisarjoja luonnollisella kielellä annettujen ohjeiden perusteella.

Microsoft laittaa tekoälyagentit hyökkäämään

– Tietoturvatiimit eivät tarvitse lisää tietoa, vaan parempia tuloksia, sanoo Microsoftin tietoturvajohtaja Hayete Gallot. Yhtiön uusi Project Perception panee tekoälyagentit etsimään hyökkäysreittejä, arvioimaan riskit ja korjaamaan havaitut heikkoudet ennen kuin oikea hyökkääjä ehtii käyttää niitä hyväkseen.

Maailman suurin siru tulee Suomeen – Cerebras rakentaa tekoälylle pikakaistan

Yhdysvaltalainen Cerebras Systems aikoo tuoda ensimmäisen eurooppalaisen tekoälylaskentakapasiteettinsa käyttöön vuoden 2026 loppuun mennessä. Rakentaminen laajenee Ranskasta Pohjoismaihin, ja uusia datakeskuksia suunnitellaan Suomeen ja Norjaan.

Puhelin kuumenee – joko vakooja kuuntelee?

Puhelin kuumenee taskussa, akku tyhjenee tavallista nopeammin ja mobiilidataa kuluu selittämättömästi. Tarkoittaako tämä, että laitteeseen on asennettu vakoiluohjelma, kysyy Astrill VPN:n markkinointijohtaja Arqam Zafar.

Tekoäly suunnittelee sirun – ja tarkistaa itse, kelpaako se valmistukseen

Siemens EDA vie tekoälyagentit pelkästä suunnittelijan avustamisesta kohti itsenäisesti eteneviä siru- ja piirilevyprojekteja. Fuse EDA AI Agent voi suunnitella ja suorittaa pitkään jatkuvia työnkulkuja sekä tarkistaa ratkaisunsa fysiikkapohjaisilla EDA-moottoreilla ennen tulosten hyväksymistä.

Tekoäly ei mahdu yhteen rautamuottiin

ETN - Technical articleTekoäly siirtyy pilvestä koneisiin, kameroihin, antureihin ja robotteihin. Reunalla yksi laitteistoratkaisu ei kuitenkaan sovi kaikkeen, vaan suorituskyky on sovitettava mallin, datan ja käyttökohteen mukaan.

TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Varateho voi pahentaa datakeskuksen lämpöongelmaa

ETN - Technical articleTekoälypalvelinten kasvava tehotiheys tekee datakeskusten varmistamisesta aiempaa monimutkaisempaa. Ylimääräiset teholähteet voivat parantaa käyttövarmuutta, mutta samalla ne lisäävät lämpökuormaa ja häiritsevät ilmavirtoja. Siksi tehonsyöttö, varmennus ja jäähdytys on suunniteltava yhtenä kokonaisuutena.

Lue lisää...

OPINION

Puhelin kuumenee – joko vakooja kuuntelee?

Puhelin kuumenee taskussa, akku tyhjenee tavallista nopeammin ja mobiilidataa kuluu selittämättömästi. Tarkoittaako tämä, että laitteeseen on asennettu vakoiluohjelma, kysyy Astrill VPN:n markkinointijohtaja Arqam Zafar.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Bittium uskoo puolustusbuumin jatkuvan pitkään
  • Joko taittuvien puhelimien läpimurto alkaa?
  • Tekoäly tekee nopeuskamerasta monitoimivalvojan
  • Natriumakku lähestyy litiumionin tasoa
  • Joensuulainen SeeTrue ratkoo älylasien suurinta ongelmaa

NEW PRODUCTS

  • Bluetooth haastaa UWB:n etäisyysmittauksessa
  • 6 watin DC/DC-muunnin mahtuu tuuman koteloon
  • Lisäkortilla 10 megabitin 4G-yhteys IoT-laitteisiin
  • Yksi anturi korvaa neljä mikrokytkintä autossa
  • Murata kutisti 100 voltin autokondensaattorin 0805-kokoon
 
 

Section Tapet