Opcje wzmacniaczy pomiaru prądu dla precyzyjnej regulacji mocy

Wielu projektantów skupia się na przyjemnych aspektach projektowania PCB: wybieraniu procesorów i pamięci, trasowaniu szybkich interfejsów, dodawaniu możliwości RF... lista jest długa. Jednak jedna rzecz, która czasami może zostać zaniedbana, to strategia regulacji mocy. Regulatory mocy są stabilne tylko wtedy, gdy ich napięcie wejściowe jest stabilne. Jeśli napięcie wejściowe ma duże wahania lub spodziewasz się, że będzie spadać w czasie życia urządzenia, musisz znaleźć sposób na ustabilizowanie wyjścia do pożądanej wartości.

Dla systemów niskonapięciowych, lub w systemach, gdzie spadek napięcia jest stosunkowo mały (może 20% pożądanego wyjścia) strategią byłoby regulowanie napięcia wejściowego do pewnej pożądanej wartości, a następnie regulowanie wyjścia za pomocą LDO. Gdy wprowadzisz LDO, będziesz miał nieefektywny liniowy regulator, który może generować dużo ciepła. Użycie samego LDO jest wystarczające tylko wtedy, gdy zapas mocy jest raczej niski.

Istnieje lepsza opcja regulacji mocy w systemie, gdzie wejście może zmieniać się w szerokim zakresie wartości. Obejmuje to wzmacniacz pomiaru prądu, który następnie może być użyty w pętli sprzężenia zwrotnego regulatora impulsowego. Dzięki użyciu wzmacniacza pomiaru prądu można regulować moc wprowadzaną do pętli sprzężenia zwrotnego regulatora, lub użyć wyjścia do sterowania sygnałem PWM za pomocą MCU. Oto kilka opcji wzmacniaczy pomiaru prądu dla Twojego następnego regulatora mocy.

Jak używać wzmacniacza pomiaru prądu

Cel wzmacniacza pomiaru prądu jest dość prosty: wyprowadza napięcie proporcjonalne do prądu na wejściu urządzenia. Prąd w tych systemach może być mierzony za pomocą zewnętrznego lub wewnętrznego precyzyjnego rezystora. Są to w zasadzie obwody wzmacniaczy operacyjnych, które przyjmują pomiar napięcia jako wejście, a wyjście jest wzmacniane za pomocą sprzężenia zwrotnego. Jeśli masz ochotę na eksperymenty, z pewnością możesz zbudować własny wzmacniacz pomiaru prądu z dyskretnych komponentów, chociaż różnorodne wzmacniacze pomiaru prądu są dostępne od głównych producentów układów scalonych. Te układy scalone oferują zakres napięć i prądów wyjściowych, i mogą być łatwo zintegrowane z obwodami regulatorów wysokiej mocy.

Gdzie powinien znajdować się wzmacniacz pomiaru prądu w projekcie regulatora mocy? Odpowiedź brzmi: w pętli sprzężenia zwrotnego. Jako przykład zastosowania, wzmacniacz może być użyty do pomiaru prądu na wyjściu z taniego regulatora, i wprowadza moc z powrotem do obwodu regulatora, aby dostosować wyjście. Jest to pokazane na poniższym schemacie blokowym.

Wzmacniacz pomiaru prądu używany do regulacji sygnału PWM, który jest używany do sterowania regulatorem impulsowym.

Niektóre wzmacniacze pomiaru prądu są programowalne przez standardowy szybki interfejs. Zamiast dostosowywania sygnału PWM, wzmocnienie na wyjściu może być programowane za pomocą innego urządzenia, takiego jak MCU. Te urządzenia mogą być również używane do regulacji mocy bez standardowego układu scalonego regulatora, tj. z informacją zwrotną do przełączającego tranzystora MOSFET w niestandardowym obwodzie regulacji.

Ważne specyfikacje wzmacniacza pomiaru prądu

Oto niektóre ważne specyfikacje, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze wzmacniacza pomiaru prądu i integrowaniu go z obwodem regulacji mocy.

• Maksymalne napięcie wejściowe: Wzmacniacz pomiaru prądu zwykle mierzy napięcie na precyzyjnym rezystorze, a nie bezpośrednio prąd. Limit napięcia wejściowego powinien być większy niż wyjście z twojego etapu regulatora.
• Wejście wspólnego trybu vs. wejście różnicowe: Wejście wspólnego trybu jest najczęstszym typem wejścia dla prądu stałego i niskoczęstotliwościowego prądu przemiennego.
• Wzmocnienie wyjściowe: Wzmocnienie wyjściowe jest definiowane na poziomie sprzętu i będzie określać, jakie spadki napięcia możesz skompensować w systemie.
• Prąd polaryzacji wejściowej: Wejście jest zwykle wysokiej impedancji, więc powinno pobierać bardzo niski prąd. Typowe wartości są na poziomie mikroamperów.

Kilka innych specyfikacji jest ważnych, ale te specyfikacje są najlepszym punktem wyjścia do wyboru komponentu do regulacji mocy.

Opcje wzmacniacza pomiaru prądu

Texas Instruments, INA223

Programowalny wzmacniacz pomiaru prądu INA223 od Texas Instruments działa do 26 V na wejściu i zawiera programowalny interfejs przez SPI. To urządzenie używa 3,3 V na wejściu z zewnętrznym rezystorem pomiarowym do pomiaru prądu po stronie wysokiej. Należy zauważyć, że rezystor po stronie wysokiej musi być dobrany tak, aby napięcie wejściowe przekraczało maksymalne napięcie przesunięcia wynoszące 10-20 mV (w zależności od wzmocnienia wyjściowego). Poniżej pokazano typowy schemat aplikacji.

Przykładowy schemat aplikacji z karty katalogowej INA223.

Analog Devices, LTC6102

Wzmacniacz pomiaru prądu LTC6102 od Analog Devices to starszy komponent nabyty od Linear, ale nadal jest produkowany i jest doskonałym wyborem dla regulatorów wysokiego napięcia. Standardowa wersja pozwala na wejście w zakresie od 4 do 60 V, a wariant wysokonapięciowy (LTC6102HV) działa od 5 do 100 V. Ten komponent ma szerokie pasmo przenoszenia od DC do ~200 kHz i jest bardzo stabilny pod względem napięcia wyjściowego w stosunku do temperatury.

Zmiana prądu i napięcia wyjściowego w zależności od zmian temperatury dla wariantów wzmacniacza pomiaru prądu LTC6102 i LTC6102HV. Z karty katalogowej LTC6102.

Maxim Integrated, MAX4172

MAX4172 od Maxim Integrated jest idealny do włączenia w pętlę sprzężenia zwrotnego regulatora. Ten komponent zapewnia monitorowanie prądu strony wysokiej przy napięciu wejściowym do 32 V. Pełna skala prądu i współczynnik skalowania (napięcie wyjściowe/prąd czujnika) mogą być dostosowane poprzez wybór odpowiedniego rezystora czujnika strony wysokiej na wyjściu regulatora. Błąd wyjściowy tego komponentu wynosi ~2% przy temperaturze otoczenia i nie przekracza +/-6% przy ekstremalnych temperaturach pracy.

Schemat blokowy funkcjonalny z karty katalogowej MAX4172.

Istnieje szeroki zakres układów scalonych regulatorów pomiaru prądu do użytku w różnych zakresach prądów i napięć. Kiedy szukasz komponentów potrzebnych do regulacji mocy, Octopart będzie tutaj, aby pomóc Ci znaleźć potrzebne komponenty.

Zachowaj aktualność z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.