Einführung

Ganz gleich, ob Sie Strom in einem industriellen 3-Phasen-Servomotorsystem, einem Batteriemanagementsystem für ein Elektrofahrzeug oder einem Photovoltaik-Inverter erfassen, es ist oft notwendig, eine Art Sicherheitsisolierungsschema einzubinden. Sicherheitsbezogene Normen definieren die spezifischen Isolierungsanforderungen für die Endgeräte in Verbindung mit dem jeweiligen Design. Verschiedene Faktoren spielen eine Rolle bei der Bestimmung, welcher Grad der Sicherheitsisolierung (Basis-, Ergänzungs- oder verstärkte Isolierung) erforderlich ist, je nach Art der Ausrüstung, den beteiligten Spannungspegeln und der Umgebung, in der die Ausrüstung installiert werden soll.

Texas Instruments bietet eine Vielzahl von isolierten Strom-Shunt-Verstärkern für die bereits erwähnten Anwendungen zur Spannungs- und Strom-Shunt-Sensorik an, die entweder die grundlegenden Anforderungen oder verstärkte Isolierungsanforderungen erfüllen. Für Anwendungen, die eine verstärkte Isolierung erfordern, ist ein solcher Baustein der AMC1301. Der Ausgang des AMC1301 ist ein vollständig differenzielles Signal, das um eine Gleichtaktspannung von 1,44 V zentriert ist und direkt an einen eigenständigen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) wie in Abbildung 1 gezeigt, oder an den auf der Platine integrierten ADC der Mikrocontroller-Bausteinfamilien MSP430 und C2000 gespeist werden kann.

Abbildung 1 AMC1301 Funktionsblockschaltbild

Integrierte ADCs

Sowohl die Prozessorfamilien MSP430 als auch C2000 verfügen über integrierte A/D-Wandler mit unsymmetrischem Eingang, daher stellt sich die Frage: Wie bekomme ich dieses differenzielle Signal in meinen unsymmetrischen Datenwandler?

Die einfachste Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, nur einen Ausgang des AMC1301 zu verwenden und den zweiten Ausgang potenzialfrei zu lassen. Der Nachteil dieses Designs ist, dass dem Datenwandler nur die Hälfte der Ausgangsspannungshub zur Verfügung steht, was den Dynamikbereich der Messung verringert. Der analoge Eingangsbereich des AMC1301 beträgt ±250 mV. Mit einer festen Verstärkung von 8,2 sind die VOUTN- und VOUTP-Spannungen ±1,025 V zentriert um den 1,44 V-Gleichtaktausgang, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die Ausgangsspannung beträgt differentiell ±2,05 V.

Abbildung 2 Differenzielle Ausgangsspannung

Durch das Hinzufügen einer differenziellen zu einer unsymmetrischen Verstärkerausgangsstufe, wie in Abbildung 3 gezeigt, kann der gesamte Ausgangsbereich des AMC1301 an den ADC bereitgestellt werden.

Abbildung 3 Differenzieller zu unsymmetrischer Ausgang

Angenommen, an VIN wird ein Vollausschlag-Sinussignal von ±250 mV angelegt. Die interne Verstärkung des AMC1301 ergibt 2,05 Vpk-pk-Ausgänge an den Punkten VOUTP und VOUTN, die um 180 Grad phasenverschoben sind. Die Differenz zwischen diesen Signalen, VODIF, beträgt 4,1 Vpk-pk. Bei R1 = R4 und R2 = R3 zeigt Gleichung 1 die Übertragungsfunktion der Ausgangsstufe an.

Wenn die Widerstände mit dem gleichen Wert für R1 bis R4 in Gleichung 1 und VCM auf 2,5 V eingestellt sind, verringert sich Gleichung 2 auf:

Die Kurven in Abbildung 4 zeigen die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen des AMC1301 sowie die Ausgangsspannung der endgültigen differenziellen zu unsymmetrischen Ausgangsstufe. Beachten Sie, dass die Differenzspannung von ±2,05 V in ein unsymmetrisches Signal von 0,5 bis 4,5 V umgesetzt wird.

Abbildung 4 Unsymmetrische Ausgangsspannung

Je nach Eingangsspannungsbereich des A/D-Wandlers kann eine Verstärkung oder Dämpfung in die differenzielle zu unsymmetrische Stufe integriert werden, um den Ausgangsspannungshub einzustellen. Die Ausgangsgleichtaktspannung kann auch an die Eingangsanforderungen des A/D-Wandlers angepasst werden.

Designbeispiel

Die ADC12 auf den MSP430-Bausteinen haben einen Eingangsspannungsbereich von 0–2,5 V, wenn die interne Spannungsreferenz verwendet wird. Mit dem VOUTP von AMC1301 kann der ADC12 ein Eingangssignal von 0,415 V bis 2,465 V liefern, das weit innerhalb des Eingangsbereichs des Wandlers liegt, während nur die Hälfte des Eingangsbereichs des AMC1301 verwendet wird. Wie Abbildung 5 zeigt, kann mit einer differenziellen zu einer unsymmetrischen Verstärkerkonfiguration mit einer Verstärkung von 0,5 und einer Gleichtaktspannung von 1,25 V der gesamte Spannungsbereich des AMC1301 auf den ADC12 angewendet werden.

Abbildung 5 Skalierter differenzieller zu unsymmetrischer Ausgang

Empfehlungen für alternative Bausteine

Die AMC1100 oder AMC1200 bieten eine Basisisolierung mit ähnlicher Leistung wie die AMC1301 zu einem niedrigeren Preis. Der TLV170 bietet diese Option für Anwendungen, die einen bipolaren Ausgang benötigen.

Fazit

Es ist zwar möglich, einen unsymmetrischen A/D-Wandler mit einem einzelnen Ausgang des AMC1301 anzusteuern, durch Hinzufügen eines Differenzials zur unsymmetrischen Operationsverstärkerstufe am Ausgang wird jedoch sichergestellt, dass die Zielanwendung den größtmöglichen Dynamikbereich hat.

Zugehörige Dokumentation

1. Driftarme Low-Side-Strommessung für Dreiphasensysteme
2. Präzise Strommessung an Hochspannungs-Stromschienen