Новые датчики тока прямого усиления, сравнимые по характеристикам с компенсационными

№ 1’2015
PDF версия
Датчики тока прямого усиления на базе кремниевых элементов Холла имеют простую конструкцию и недороги в производстве, но их простота оборачивается несколько ограниченными характеристиками. Улучшить характеристики можно путем использования компенсационной схемы в некоторых диапазонах рабочих токов, однако это увеличивает стоимость и габариты датчика. В этой статье описывается новый тип датчиков прямого усиления на базе специализированной ИС (ASIC), которая сокращает разрыв в характеристиках между современными датчиками прямого усиления и компенсационными.

Введение

На рис. 1 продемонстрирован принцип работы датчиков тока прямого усиления и компенсационного типа, построенных на основе измерения создаваемого первичным током магнитного поля. В датчиках обоих типов может использоваться элемент Холла, встроенный в специализированную ИС в качестве магниточувствительного элемента. Преимущества обеих схем — гальваническая развязка и возможность измерения тока в широкой полосе частот, в том числе и постоянного.

Датчики тока прямого усиления (слева) и компенсационного типа

Рис. 1. Датчики тока прямого усиления (слева) и компенсационного типа

В датчике прямого усиления выходное напряжение элемента Холла, пропорциональное измеряемому току, усиливается для получения выходного напряжения датчика. Но любое изменение чувствительности элемента Холла (например, из-за колебаний температуры) будет вносить погрешность в измерения. Выходное напряжение элемента Холла очень мало, поэтому попытка обеспечить малое время отклика датчика обернется высоким уровнем выходного шума, так как для этого нужно усиливать сигнал в широком диапазоне частот. Как правило, полоса частот сигнала специализированной ИС должна быть шире, чем у измеряемого тока, поскольку, чтобы минимизировать начальное смещение и 1/f фликкер-шум элемента Холла, необходимо модулировать его выходной сигнал с высокой частотой путем последовательного придания элементу смещения в четырех ортогональных направлениях («вращение» [1]), а затем усилить и демодулировать результирующий сигнал.

В компенсационной схеме магнитное поле, наведенное измеряемым (первичным) током, точно компенсируется вторичным током, который меньше первичного строго в число раз, равное отношению числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной, и легко измеряется по падению напряжения на прецизионном резисторе RM. При этом точное значение чувствительности элемента Холла здесь уже не важно. Более того, полосу частот усилителя выходного сигнала элемента Холла можно сузить (соответственно снизив уровень шума) частотой в несколько килогерц, поскольку на частотах выше нескольких килогерц выходной ток, протекающий через RM, непосредственно обусловлен трансформаторным эффектом между первичным проводником и вторичной обмоткой датчика. Но эти преимущества требуют более дорогостоящей конструкции датчика, а также ограничивают его минимальные габариты. Вдобавок максимальное измеряемое значение первичного тока ограничивается максимальным практически достижимым вторичным током и числом витков во вторичной обмотке.

В датчиках, описываемых в этой статье, применяется специализированная ИС, которая приближает датчик прямого усиления по характеристикам к компенсационным датчикам, но при этом все сложные аспекты конструкции сосредоточены в ИС, а не в датчике. Такая ИС, будучи однажды спроектированной, может использоваться в ряде недорогих датчиков прямого усиления с различными функциональными возможностями.

 

Устройство специализированной ИС и датчика

Блок-схема специализированной ИС приведена на рис. 2. С помощью восьми элементов Холла отношение сигнал/шум в начале сигнальной цепочки повышается в √8 раз. «Вращение» (модуляция) на частоте 1,5 МГц устраняет начальное смещение элементов Холла. На тех участках, где уровень сигнала мал, применяется дифференциальная схема, чтобы обеспечить устойчивость к внешним синфазным помехам (dv/dt). После преобразования дифференциального сигнала в несимметричный для экономии места на кристалле избирательно экранируются ответственные узлы без использования дополнительных металлических слоев, чтобы сохранить устойчивость к упомянутым выше помехам. Полосовой фильтр на частоте «вращения» снижает общий уровень шума, ограничивая полосу частот шума такой, какая необходима для достижения заданного времени отклика, и предотвращая проникновение высокочастотных шумовых помех дискретизации в полосе частот полезного сигнала.

Блок-схема специализированной ИС, применяемой в новом датчике тока прямого усиления

Рис. 2. Блок-схема специализированной ИС, применяемой в новом датчике тока прямого усиления

Стандартами качества в автомобилестроении, а теперь все чаще и в промышленности предписывается после корпусирования подвергать специализированную ИС всеобъемлющим испытаниям при двух или, лучше, трех значениях температуры. Мы пользуемся этой возможностью, чтобы измерить погрешности, свойственные методу прямого усиления, и записать соответствующие поправки во встроенное ЭСППЗУ специализированной ИС. Таким образом компенсируются погрешности, связанные с температурной зависимостью чувствительности элементов Холла и смещением усилителей после демодуляции.

Наличие ЭСППЗУ также позволяет настраивать датчики в соответствии с предпочтениями пользователя, например выбирать различные значения опорного напряжения и регулировать ширину полосы частот выходного фильтра (сужать для снижения шума или расширять для сокращения времени отклика).

Новый функциональный элемент этой ИС — цифровой детектор перегрузки по току (OCD) с выходом на промежуточном участке сигнальной цепочки. Это позволяет устанавливать пороговый уровень тока выше того значения, которое вызывает насыщение аналогового выходного каскада. Опять же, предусмотрена возможность выбирать и записывать в ЭСППЗУ различные значения порогового уровня тока перегрузки в зависимости от конкретных нужд пользователя.

Для связи с ЭСППЗУ служит однопровод­ная шина, выведенная на выходной контакт ИС. Это удобно при использовании в конечном изделии, поскольку такой контакт, скорее всего, подключают к микропроцессору для обработки сигналов.

В табл. 1 дается сравнение ключевых параметров новых 25-А датчиков с другими датчиками прямого усиления и компенсационного типа по ряду ключевых параметров. Принцип действия всех датчиков основан на эффекте Холла. Можно видеть, что по своим характеристикам новые датчики прямого усиления приближаются к компенсационным датчикам, а в некоторых случаях и превосходят их. Итоговый выбор датчика для конкретной цели зависит от того, какие его параметры наиболее важны.

Таблица 1. Сравнительные характеристики датчиков различного типа

Параметр

Датчик прямого усиления предыдущего поколения

Новый датчик прямого усиления

Компенсационный датчик

Время отклика, мс

5

2

0,4

Погрешность при 25 °C, %

±1

±1

±0,7

Дрейф чувствительности, ppm/К

500

200

50

Дрейф тока смещения, мА/К

4

1,5

1–4

Спектральная плотность шума, мкА/Гц1/2)

525

350

44

Обнаружение перегрузки по току

Нет

Есть

Возможно

Устойчивость к переходным процессам напряжения

Требуется экранирование

Встроенные экраны

Датчик экранирован

На рис. 3 показан отклик цифрового детектора перегрузки по току на ступенчатое изменение входного тока датчика. Время отклика, приблизительно равное 2 мкс, отчасти обусловлено задержкой магнитной цепи датчика, а отчасти — цепью, которая проверяет, что длительность перегрузки по току составляет не менее 1 мкс, во избежание срабатывания детектора по коротким выбросам. Ширина огибающей отклика — около 600 нс, так как ступенька тока не синхронизирована с внутренним тактовым сигналом специализированной ИС, частота которого равна 1,5 МГц.

Огибающая отклика детектора перегрузки по току

Рис. 3. Огибающая отклика детектора перегрузки по току

Новый датчик более устойчив к быстрому изменению входного напряжения (dv/dt) по сравнению с традиционной конструкцией, в которой для достижения сходных характеристик требовалось бы внешнее экранирование или заземление магнитопровода (рис. 4). Крутизна входного сигнала равна 5 кВ/мкс, амплитуда — 1 кВ. Разница во времени между сигналом dv/dt и откликом на выходе датчика обусловлена задержкой внутренней функции выборки и запоминания, а также блока фильтров.

Огибающая отклика датчика прямого усиления на быстрое изменение входного напряжения (dv/dt)

Рис. 4. Огибающая отклика датчика прямого усиления на быстрое изменение входного напряжения (dv/dt):
а) традиционного;
б) нового

На рис. 5 показан отклик нового датчика на ступенчатое изменение первичного тока. Время отклика этого датчика менее 2 мкс. Однако полосу частот выходного фильтра НЧ второго порядка можно сузить до 1/6 от ее наибольшего значения. При этом время отклика увеличится, зато соответственно уменьшится уровень выходного шума.

Отклик на быстрое изменение входного тока (di/dt)

Рис. 5. Отклик на быстрое изменение входного тока (di/dt)

На рис. 6 приведены примеры двух различных датчиков тока с применением специализированной ИС, описанной в настоящей статье. Других электрических или электронных компонентов, помимо ИС, не требуется, поэтому физический объем конструкции получается очень малым. Магнитопровод, сосредотачивающий магнитное поле в месте расположения специализированной ИС, изготовлен из недорогого феррита, который можно не заземлять благодаря свойственной специализированной ИС устойчивости к быстрым изменениям напряжения.

Внешний вид датчиков тока

Рис. 6. Датчики

Одна и та же специализированная ИС используется в датчиках двух типов, характеристики которых могут существенно различаться вследствие разных настроек в ЭСППЗУ, а также разного расположения первичного проводника и магнитопровода.

 

Заключение

В настоящей статье представлены новые датчики тока прямого усиления, по своим характеристикам приближающиеся к компенсационным датчикам. Достичь столь высоких характеристик удается с помощью ИС, разработанной специально для этой цели. Измеренные характеристики датчика соответствуют ожидаемым. Благодаря этому расширяется область, в которой можно применять датчики прямого усиления вместо более сложных решений.

Литература
  1. Popovic R.S. Hall Effect Devices/ Institute of Physics Publishing, 2004. ISBN 0 7503 0855 9.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *