Optionen für Strommessverstärker zur präzisen Leistungsregelung

Viele Designer konzentrieren sich so sehr auf den spaßigen Teil des PCB-Designs: Auswahl von Prozessoren und Speichern, Routing von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, Hinzufügen von RF-Fähigkeiten… die Liste geht weiter. Aber eines, das manchmal auf der Strecke bleibt, ist Ihre Strategie zur Spannungsregulierung. Spannungsregler sind nur so stabil wie ihre Eingangsspannung. Wenn Ihre Eingangsspannung große Schwankungen aufweist oder Sie erwarten, dass sie im Laufe der Lebensdauer des Geräts abfällt, müssen Sie einen Weg finden, die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert zu stabilisieren.

Bei Niederspannungssystemen oder in Systemen, bei denen der Spannungsabfall relativ gering ist (vielleicht 20% der gewünschten Ausgangsleistung), wäre die Strategie, die Eingangsspannung auf einen gewünschten Wert zu regulieren und dann den Ausgang mit einem LDO zu regulieren. Sobald Sie einen LDO einführen, haben Sie einen ineffizienten linearen Regler, der viel Wärme erzeugen kann. Die Verwendung eines LDO allein reicht nur aus, wenn der Spielraum eher gering ist.

Es gibt eine bessere Option für die Regulierung der Leistung in einem System, bei dem der Eingang über einen breiten Bereich von Werten schwanken kann. Dies beinhaltet einen Stromsinnverstärker, der dann in der Rückkopplungsschleife eines Schaltreglers verwendet werden kann. Durch die Verwendung eines Stromsinnverstärkers können Sie die in die Rückkopplungsschleife des Reglers eingespeiste Leistung regulieren oder den Ausgang verwenden, um ein PWM-Signal mit einem MCU zu steuern. Hier sind einige Optionen für Stromsinnverstärker für Ihren nächsten Spannungsregler.

Wie man einen Stromsinnverstärker verwendet

Der Zweck eines Stromsinnverstärkers ist ziemlich einfach: Er gibt eine Spannung aus, die proportional zum Strom am Eingang des Geräts ist. Der Strom in diesen Systemen kann mit einem externen oder internen Präzisionswiderstand gemessen werden. Das sind im Grunde OP-Verstärkerschaltungen, die eine Spannungsmessung als Eingang nehmen, und der Ausgang wird mit Rückkopplung verstärkt. Wenn Sie abenteuerlustig sind, könnten Sie sicherlich Ihren eigenen Stromsinnverstärker aus diskreten Komponenten bauen, obwohl eine Vielzahl von Stromsinnverstärkern von großen IC-Herstellern erhältlich ist. Diese ICs bieten eine Reihe von Spannungs- und Stromausgängen und können leicht in Hochleistungsreglerkreise integriert werden.

Wo muss ein Stromsinnverstärker in einem Spannungsregler-Design sitzen? Die Antwort ist: in der Rückkopplungsschleife. Als Beispielanwendung kann der Verstärker verwendet werden, um den Strom am Ausgang eines preiswerten Reglers zu messen, und er speist Leistung zurück in den Reglerkreis, um den Ausgang anzupassen. Dies wird im folgenden Blockdiagramm gezeigt.

Stromsinnverstärker verwendet zur Anpassung eines PWM-Signals, das zur Steuerung eines Schaltreglers verwendet wird.

Einige Strommessverstärker sind über eine standardmäßige Hochgeschwindigkeitsschnittstelle programmierbar. Anstatt ein PWM-Signal anzupassen, kann die Verstärkung am Ausgang mit einem anderen Gerät, wie einem MCU, programmiert werden. Diese Geräte können auch für die Leistungsregelung ohne einen standardmäßigen Regler-IC verwendet werden, d.h. mit Rückkopplung in ein schaltendes Leistungs-MOSFET in einem benutzerdefinierten Regelkreis.

Wichtige Spezifikationen von Strommessverstärkern

Hier sind einige wichtige Spezifikationen, die bei der Auswahl eines Strommessverstärkers und dessen Integration in einen Leistungsregelkreis zu berücksichtigen sind.

• Nennmaximale Eingangsspannung: Ein Strommessverstärker misst typischerweise eine Spannung über einen Präzisionswiderstand, nicht direkt den Strom. Das Eingangsspannungslimit sollte größer als der Ausgang Ihrer Reglerstufe sein.
• Gemeinsamer Modus vs. Differenzmodus-Eingang: Der gemeinsame Modus ist der am häufigsten verwendete Eingangstyp für Gleichstrom und niederfrequente Wechselstromleistung.
• Ausgangsverstärkung: Die Ausgangsverstärkung wird auf Hardwareebene definiert und bestimmt, welches Niveau an Spannungsabfall Sie mit dem System kompensieren können.
• Eingangs-Bias-Strom: Der Eingang ist normalerweise hochohmig, daher sollte er einen sehr niedrigen Strom ziehen. Typische Werte liegen im Mikroampere-Bereich.

Mehrere andere Spezifikationen sind wichtig, aber diese Spezifikationen sind der beste Ausgangspunkt, um eine Komponente für die Leistungsregelung auszuwählen.

Optionen für Strommessverstärker

Texas Instruments, INA223

Der INA223 programmierbare Gewinn-Strommessverstärker von Texas Instruments arbeitet bis zu 26 V Eingang und beinhaltet eine programmierbare Schnittstelle über SPI. Dieses Gerät verwendet 3,3 V Eingang mit einem externen Messwiderstand für die Hochseiten-Strommessung. Beachten Sie, dass der Hochseitenwiderstand so gewählt werden muss, dass die Eingangsspannung die maximale Offsetspannung von 10-20 mV (abhängig von der Ausgangsverstärkung) übersteigt. Ein typisches Anwendungsschaltbild wird unten gezeigt.

Beispielanwendungsschaltbild aus dem INA223-Datenblatt.

Analog Devices, LTC6102

Der LTC6102 Strommessverstärker von Analog Devices ist eine ältere Komponente, die von Linear übernommen wurde, aber sie ist immer noch in Produktion und eine ausgezeichnete Wahl für höhere Spannungsregler. Die Standardvariante erlaubt Eingänge von 4 bis 60 V, und die Hochspannungsvariante (LTC6102HV) arbeitet von 5 bis 100 V. Diese Komponente hat eine hohe Bandbreite von DC bis zu ~200 kHz und eine sehr stabile Ausgangsspannung im Verhältnis zur Temperatur.

Strom- und Spannungsvariation mit Temperaturänderungen für die Strommessverstärker-Varianten LTC6102 und LTC6102HV. Aus dem LTC6102 Datenblatt.

Maxim Integrated, MAX4172

Der MAX4172 von Maxim Integrated eignet sich ideal für die Einbindung in eine Regler-Rückkopplungsschleife. Diese Komponente bietet eine Hochseiten-Stromüberwachung mit bis zu 32 V Eingangsspannung. Der Vollskalenstrom und der Skalierungsfaktor (Ausgangsspannung/Sensorenstrom) können durch Auswahl des entsprechenden Hochseiten-Sensorenwiderstands am Reglerausgang angepasst werden. Der Ausgangsfehler bei dieser Komponente beträgt ~2% bei Umgebungstemperatur und überschreitet nicht +/-6% bei extremen Betriebstemperaturen.

Funktionsblockdiagramm aus dem MAX4172 Datenblatt.

Es gibt eine breite Palette von Stromsensoren-Regler-ICs für die Verwendung in verschiedenen Strom- und Spannungsbereichen. Wenn Sie die Komponenten suchen, die Sie für die Leistungsregelung benötigen, wird Octopart hier sein, um Ihnen zu helfen, die benötigten Komponenten zu finden.

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