Verwendung optimierter Verstärker für eine zuverlässige und genaue Strommessung im Automobilbereich

Mit der zunehmenden Verbreitung elektronischer Systeme in Kraftfahrzeugen ist die kontinuierliche Echtzeitmessung des Stromflusses von entscheidender Bedeutung für die Überwachung drohender Überstromzustände, die Anzeige von Schaltkreis- und Systemfehlern und -ausfällen sowie die Bereitstellung eines kontinuierlichen Feedbacksignals zur Optimierung der Regelkreisperformance.

Es gibt zwar verschiedene Techniken und Komponenten zur Messung des Stromflusses, aber die konzeptionell einfache Methode der Messung des Spannungsabfalls über einen Nebenschlusswiderstand (Sense) ist eine der am häufigsten verwendeten. Sie bietet Genauigkeit, Präzision, Wiederholbarkeit, Komfort, geringe Größe, Flexibilität und Anpassungsfähigkeit.

Dieser Messwiderstand kann zwischen der Versorgungsschiene und der Last (High-Side-Messung) oder zwischen der Last und Masse (Low-Side-Messung) platziert werden. Jede Anordnung bietet Kompromisse in Bezug auf die Leistung, die Auswirkungen auf den gemessenen Stromfluss und die Anforderungen an den Spannungsverstärker, der über dem Widerstand platziert ist, sowie andere Faktoren. Der zugehörige Strommessverstärker (CSA) muss kritische anwendungsspezifische Eigenschaften aufweisen, um in dieser Rolle optimal zu funktionieren, insbesondere angesichts der schwierigen Betriebsumgebung im Automobil.

Dieser Artikel befasst sich mit der High-Side- und Low-Side-Strommessung und den Problemen, mit denen Entwickler bei beiden Verfahren konfrontiert werden. Anschließend wird die CSA-Familie von onsemi vorgestellt und erläutert, wie sie zur Lösung vieler dieser Probleme eingesetzt werden kann.

Die beiden Konfigurationen für die Messwiderstände

Die Messung der Spannung an einem festen Widerstand mit bekanntem Wert, der mit der Last verbunden ist, ermöglicht die Bestimmung des Stroms durch direkte Anwendung des Ohmschen Gesetzes: Strom = Spannung/Widerstand (I = U/R). Die Platzierung des Messwiderstands auf der Low-Side-Seite (Abbildung 1, links) bzw. High-Side-Seite (Abbildung 1, rechts) hat zwar keinen direkten Einfluss auf die Integrität des Messwerts, hat aber viele Auswirkungen auf der Systemebene.

Abbildung 1: Dargestellt ist die Low-Side-Strommessung auf Widerstandsbasis (links), bei der der Widerstand zwischen Last und Masse platziert ist, und die High-Side-Strommessung, bei der der Widerstand zwischen Quellschiene und Last liegt (rechts). (Bildquelle: onsemi)

Dieser Messwiderstand wird zwar als Shunt-Widerstand bezeichnet, aber diese Bezeichnung ist inkorrekt. Ein echter Shunt-Widerstand wird parallel zur Last geschaltet, so dass ein Teil des Stroms um die Last herum und durch den Widerstand umgeleitet wird. Der standardmäßig verwendete Strommesswiderstand ist jedoch in Reihe mit der Last geschaltet und bildet keinen Nebenschluss. Dennoch wird der Begriff "Shunt-Widerstand" allgemein verwendet.

Die Low-Side-Abtastung ist konzeptionell der direkteste Ansatz, bei dem ein Ende des Widerstands mit Masse und das andere mit der Low-Seite der Last verbunden ist. Sie bietet einige klare Vorteile:

• Die Spannung am Widerstand ist auf die Masse bezogen.
• Die Spannung über dem Widerstand an beiden Verstärkeranschlüssen (Gleichtaktspannung) ist niedrig.
• Es ist relativ einfach, eine Schaltung mit einer einzigen Stromversorgung zu entwickeln.

Allerdings gibt es bei der Low-Side-Messung unvermeidliche Komplikationen:

• Die Last ist nicht mehr geerdet, was erhebliche Auswirkungen auf der Systemebene haben kann und die Performance aller Regelkreise, die den gemessenen Stromwert verwenden, beeinträchtigt.
• Ein unbeabsichtigter Kurzschluss zwischen der Last und der Erde kann die Last aktivieren.
• Die Messanordnung kann Erdschleifen verursachen.
• Ein hoher Laststrom aufgrund eines Kurzschlusses wird nicht erkannt.

Bei der High-Side-Messung wird der Widerstand zwischen der Stromquelle und der Masse platziert, was folgende Vorteile bietet:

• Die Last ist geerdet, was ein großer Vorteil und oft eine Sicherheitsanforderung ist.
• Der Körper der Last, z. B. ein Motor, kann physisch und elektrisch mit einem Systemchassis als gemeinsame Masse verbunden werden.
• Dadurch wird vermieden, dass dem Massepfad der gemessenen Last ein zusätzlicher Widerstand hinzugefügt wird.
• Die Last wird auch bei einem Kurzschluss am Netzanschluss nicht unter Spannung gesetzt.
• Ein Kurzschluss zwischen der positiven Versorgungsleitung und Masse kann erkannt werden.

Die High-Side-Messung hat jedoch auch Nachteile:

• Der CSA muss hohe Eingangs-CMV und schnelle Gleichtakttransienten tolerieren; ein Überschreiten seiner Grenzen kann die Leistung beeinträchtigen und den Verstärker möglicherweise beschädigen.
• Die gemessene Spannung am Widerstand muss zur Messung und Verwendung auf die Betriebsspannung des Systems gebracht werden.
• Im Allgemeinen ist die Umsetzung der erforderlichen Schaltungskonfiguration komplizierter.

Die Entscheidung darüber, was besser ist, erfordert wie immer eine Abwägung der technischen Aspekte. Es gibt jedoch viele Situationen, in denen die High-Side-Messung die einzige praktikable Wahl ist.

Nehmen wir zum Beispiel das Auto und seine vielen elektrischen Verbraucher, wie Motoren. Ein typisches modernes Auto hat mindestens 30 Motoren für Zusatzfunktionen wie automatische Fensterheber und Sitzverstellungen. Viele von ihnen sind physisch am Fahrzeugrahmen, an den Halterungen oder am Fahrgestell befestigt, die auch als elektrische Masse fungieren.

Es ist zwar möglich, diese Lasten elektrisch von den Strukturelementen des Fahrzeugs zu isolieren, doch ist dies in der Praxis schwierig. Dies erfordert ein weiteres Teil in der Stückliste, einen weiteren Fertigungsschritt, und die Isolierung kann sich mit der Zeit abnutzen oder beim Austausch eines Teils versehentlich weggelassen werden. Außerdem kann ein Mechaniker das Motorgehäuse kurz mit dem Chassis verbinden und den Stromkreis kurzschließen.

Die gleichen Überlegungen gelten für nicht-motorische Lasten wie ADAS-Funktionen (Advanced Driver Assistance Systems), Sicherheits- und Kollisions-Subsysteme, Alarmanlagen sowie die Entertainment- und Konnektivitätskonsole. Darüber hinaus ist bei einer nicht geerdeten Last der Rückleitungskabelstrang von der Last zur Batterie komplizierter und anfälliger für Fehler oder menschliches Versagen.

Eine optimierte Verstärkerlösung

Für Situationen, in denen High-Side-Messung vorgeschrieben oder bevorzugt ist, ist ein anwendungsspezifischer Verstärker die Lösung. Ein Beispiel ist der AEC-Q100-qualifizierte CSA NCV7030DM2G014R2G (Abbildung 2) aus der Familie NCV7030 von onsemi.

Abbildung 2: Der CSA NCV7030DM2G014R2G ist für die High-Side-Strommessung in Automobilumgebungen konzipiert. (Bildquelle: onsemi)

Der in einem bleifreien Micro8- (3 mm × 3 mm) oder SOIC-8-Gehäuse (4 mm × 5 mm) (NCV7030D2G014R2G) angebotene Baustein arbeitet mit 3 V bis 5,5 V und hat einen typischen Ruhestrom von 1,5 mA.

Die Familie NCV7030 bietet ein hohes Eingangs-Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von mindestens 85 dB und einen Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich von -6 V bis 80 V (Betrieb) und -14 V bis 85 V (Überleben). Sie kann unidirektionale Strommessungen über einen Messwiderstand durchführen und bietet eine feste Verstärkung von 14 V/V mit einem maximalen Verstärkungsfehler von ±0,3% über den gesamten Temperaturbereich - eine wichtige Spezifikation für die raue Automobilumgebung.

Die NCV7030-Verstärker bieten mehr als eine hohe Gleichtaktunterdrückung. Jeder besteht aus einem Vorverstärker und einem Puffer, wobei der Zugriff auf den Ausgang bzw. den Eingang über die Überbrückungsstifte A1 und A2 erfolgt, um ein zwischengeschaltetes Filternetzwerk zu implementieren oder die Verstärkung zu verändern.

Außerdem gehört zu einem guten CSA mehr als die Aufrechterhaltung der Leistung trotz hoher CMV. Die NCV7030-Bausteine zeichnen sich durch einen hohen Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) von mindestens 75 dB aus, was einen zuverlässigen Betrieb auch in verrauschten Umgebungen gewährleistet. Ihre niedrige Eingangsoffsetspannung von maximal ±300 µV und die minimale Temperaturdrift machen sie zu einer idealen Komponente für Präzisionsanwendungen. Dank einer Bandbreite von 100 kHz reagieren sie auch auf schnelle Stromänderungen.

Aufgrund der niedrigen Eingangsoffsetspannung liegt der Ausgang des CSA NCV7030 innerhalb von 50 mV von Masse, wenn kein Strom durch den Shunt-Widerstand fließt. Wenn Strom fließt, schwingt der Ausgang in den positiven Bereich, bis zu 100 mV der angelegten Versorgungsspannung. Dieser große Bereich verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der gemessenen Spannung.

Es gibt eine kleine betriebliche Einschränkung. Die NCV7030-Verstärker sind intern auf Masse bezogen, so dass sie nur in eine Richtung fließenden Strom messen können. Dies ist keine schwerwiegende Einschränkung, da batteriebetriebene und die meisten bipolaren Stromversorgungskonzepte nur einen unidirektionalen Stromfluss aufweisen.

Um die Konstruktion zu vereinfachen, können die Komponenten an dieselbe Stromversorgung angeschlossen werden, die sie auch überwachen. Wenn es notwendig ist, einen Kurzschlussstrom an der Laststromversorgung zu erkennen, was dazu führen kann, dass die Laststromversorgung auf nahezu 0 V absinkt, muss eine separate Stromversorgung verwendet werden.

Die NCV7030-Komponenten bieten ohne zusätzliche Komponenten eine feste Verstärkung, aber einige Anwendungen können eine höhere oder niedrigere Verstärkung erfordern. Die Architektur dieser Verstärker trägt dieser Anforderung über die Pins A1 und A2 Rechnung.

Für eine geringere Verstärkung verbindet man A1 mit A2 und fügt einen Widerstand (R_EXT) von diesem Netz zur Masse hinzu, der zusammen mit dem internen 100kΩ-Widerstand ein Widerstandsteiler-Netzwerk bildet (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Hinzufügen eines einzelnen externen Widerstands (R_EXT) bildet zusammen mit dem internen 100kΩ-Widerstand ein Widerstandsteiler-Netzwerk, um die Verstärkung der NCV7030-Verstärker zu reduzieren. (Bildquelle: onsemi)

Umgekehrt kann die Verstärkung durch Hinzufügen eines externen Widerstands in einer positiven Rückkopplungskonfiguration erhöht werden (Abbildung 4). In beiden Fällen wird der Wert des externen Widerstands durch einfache algebraische Formeln mit den gewünschten reduzierten oder erhöhten Verstärkungswerten in Beziehung gesetzt.

Abbildung 4: Die Platzierung des externen Widerstands in der Rückkopplungsschleife eines NCV7030-Verstärkers erhöht die Verstärkung. (Bildquelle: onsemi)

Wie sieht es mit der Filterung aus?

Viele Strommessanwendungen, z. B. in der Automobilindustrie und in Industrieanlagen, sind von Natur aus verrauscht. Das Rauschen kann die Integrität des gemessenen Stromsignals und der zugehörigen Verstärkerausgangsspannung beeinträchtigen. Die niedrige Spannung am Messwiderstand erschwert das Rauschen zusätzlich.

Warum ist die Spannung niedrig? Bei der Dimensionierung des Messwiderstands müssen Kompromisse eingegangen werden. Einerseits sorgt ein höherer Widerstand für einen größeren Spannungsabfall und damit für eine größere Signalgröße, was das SNR und die Auflösung verbessert. Andererseits vergeudet dieser höherwertige Widerstand mehr Strom, erzeugt mehr Wärme und wirkt sich nachteilig auf den Lastkreis aus.

Bei vielen Anwendungen gilt die Faustregel, dass der Widerstand als Kompromiss für einen Abfall von etwa 100 mV ausgelegt werden sollte. Dieser Wert bedeutet, dass der Widerstand oft nur 1 Milliohm (mΩ) oder weniger beträgt, so dass die Verbindungen zu ihm Teil der Berechnungen des Spannungsabfalls und der gemessenen Spannung werden.

Der echte Differenzeingang der NCV7030-Bausteine eignet sich sowohl für Vierdraht-Kelvin-Verbindungsshunts, die das Rauschen reduzieren, als auch für herkömmliche Zweidraht-Shunts. Darüber hinaus unterdrückt der echte Differenzeingang das Gleichtaktrauschen, das selbst bei der Low-Side-Strommessung häufig vorhanden ist.

Bei einigen Anwendungen kann eine Filterung am CSA-Eingang erforderlich sein. Dies lässt sich leicht durch Hinzufügen von zwei Widerständen (R_FILT) und einem Kondensator (C_FILT) zwischen dem Shunt-Widerstand und den Verstärkereingängen erreichen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Für die Eingangsfilterung werden nur zwei angepasste Widerstände (R_FILT) und ein Kondensator (C_FILT) am Eingang des CSA benötigt. (Bildquelle: onsemi)

Beachten Sie, dass eine solche Eingangsfilterung durch den zusätzlichen Widerstand der Filterwiderstände und die damit verbundene Widerstandsfehlanpassung zwischen ihnen erschwert wird, was sich nachteilig auf die Verstärkung, den CMRR und die Eingangsoffsetspannung auswirken kann. Im Datenblatt wird erläutert, wie diese Werte ausgewählt werden und welche Auswirkungen sie haben.

Auch wenn eine Eingangsfilterung nicht erforderlich ist, kann eine Filterung des Verstärkerausgangs notwendig sein. Diese Filterung lässt sich dank der internen „Split“-Architektur der NCV7030-Verstärker leicht umsetzen. Ein Tiefpassfilter kann durch Verbinden von A1 und A2 und Hinzufügen eines Kondensators zwischen der Konfiguration und Masse erstellt werden (Abbildung 6, links). So entsteht ein einfacher einpoliger Widerstand-Kondensator-Filter (RC-Filter), der den internen 100kΩ-Widerstand nutzt und eine Dämpfung von 20 dB pro Dekade (dB/Dekade) bietet. Wird ein höherer Roll-Off benötigt, kann ein zweipoliger Sallen-Key-Filter mit einer Dämpfung von 40 dB/Dekade durch Hinzufügen von zwei externen Kondensatoren und einem einzelnen Widerstand erstellt werden (Abbildung 6, rechts).

Abbildung 6: Ein einzelner Kondensator zwischen A1/A2 und Masse ergibt einen einpoligen Filter (links) mit einer Dämpfung von 20 dB/Dekade; ein zusätzlicher Widerstand und ein Kondensator ergeben einen zweipoligen Filter mit einer Dämpfung von 40 dB/Dekade (rechts). (Bildquelle: onsemi)

Fazit

Die High-Side-Strommessung, bei der ein Widerstand mit niedrigem Wert zwischen Quelle und Last eingefügt wird, ist eine Standardtechnik zur Bestimmung des kritischen Parameters des Laststroms in vielen Anwendungen, z. B. in Kfz-Schaltungen. Dies ist zwar ein wirksamer Ansatz, stellt aber auch eine Herausforderung für die Leistungsfähigkeit des zugehörigen CSA dar. Wie gezeigt, ist die Verstärkerfamilie NCV7030 von onsemi für diese spezielle Anwendung optimiert, mit einer hohen CMV-Toleranz und einem zweistufigen Design, das eine feste und eine vom Benutzer einstellbare Verstärkung bietet, sowie die Möglichkeit zur Filterung sowohl am Eingang als auch am Ausgang.