Hall-Sensoren

Digitaler Stromsensor liefert hochgenaue Ergebnisse bis 50 A

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Aufbau und Funktion des Stromsensors

Bild 3 zeigt den schematischen Aufbau des TLI4970 und Bild 4 das entsprechende Blockschaltbild. Der Stromfluss durch die Stromschiene auf der Primärseite induziert ein magnetisches Feld, das von den zwei differenziellen Hall-Elementen gemessen wird. Gegenüber der Stromschiene sind die Hall-Elemente galvanisch isoliert. Das Signal von den Hall-Elementen wird von einem Delta-Sigma-A/D-Wandler direkt digitalisiert. Nach dem programmierbaren Tiefpass-Filter (0 bis 18 kHz) erfolgt die Signalverarbeitung im digitalen Signalprozessor (DSP).

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Die Temperatur und der mechanische Stress am Chip werden gemessen und unabhängig vom Primärstrom durch einen zweiten A/D-Wandler digitalisiert. Der digitale Signalprozessor nutzt dann die Temperatur- und Stress-Informationen um das rohe Stromsignal zu kompensieren. Letztendlich wird das so kompensierte Signal über die IF-Einheit und die SPI-Schnittstelle ausgegeben.

Über den OCD-Pin ist eine schnelle Erfassung eines Überstromes im Messpfad möglich. Dafür ist der OCD-Signalpfad unabhängig vom Stromsignal-Pfad und verfügt über einen programmierbaren Glitch-Filter. Der symmetrische Schwellwert für den OCD-Ausgang ist in Schritten von 3 A von 0 bis +/-90 A einstellbar. Damit lassen sich negative und positive Überströme erfassen. Die Glitch-Filterzeit ist von 150 bis 1550 ns in Schritten von 100 ns programmierbar.

Verbunden mit dem Logik-Eingang eines Mikrocontrollers kann der OCD-Pin zum Beispiel einen Interrupt im Mikrocontroller triggern und das System im Bedarfsfall abschalten bzw. vor Beschädigung schützen. Mit der Open-Drain-Architektur ist es möglich, die OCD-Pins mehrerer TLI4970-Sensoren mit einem einzelnen Eingangspin eines Mikrocontrollers zu verbinden.

Bei Stromsensoren auf Basis von Hall-Elementen ist es entscheidend, die Einflüsse von externen magnetischen Streufeldern zu minimieren. Der TLI4970 ist robust gegenüber externen magnetischen Feldern. Dabei spielt die Lage der externen Magnetfelder in Bezug auf die Stromschiene eine wichtige Rolle. Ist der entsprechende Störleiter vertikal zur Stromschiene, gibt es grundsätzlich keine negativen Einflüsse durch Nebensprechen, da hier das Magnetfeld parallel zu den Hall-Elementen ist. Steht der Störleiter senkrecht zur Stromschiene, dann besteht eine hohe Immunität aufgrund der differenziellen Messungen. Nur wenn der Störleiter parallel zur integrierten Stromschiene ist, kann es zu Nebensprechen kommen. Aber auch in diesem Fall bietet der TLI4970 eine effiziente Unterdrückung des Nebensprechens. So konnten bei Strömen von 50 A Crosstalk-Effekte von nur 1 mA im Abstand von 3 mm gemessen werden.

Untergebracht ist der TLI4970 in einem besonders kleinen oberflächenmontierbaren TISON-Gehäuse (Thin Interstitial Small Outline No leads; 7 mm x 7 mm x 1 mm). Das Miniaturgehäuse wiegt lediglich 0,2 g. Durch das TISON-SMD-Gehäuse kann die PCB-Bestückung automatisiert und damit kosteneffizient erfolgen. Zusammen mit der integrierten Funktionalität in Form von Level-Shiftern, Filter, galvanischer Isolation sowie sicherer Kommunikation inklusive Parity-Check können nicht nur der Platzbedarf, sondern auch die Materialkosten deutlich gesenkt werden.

Design-Unterstützung gibt es mit dem Evaluation-Kit: Über eine grafische Oberfläche lässt sich der Sensor einfach programmieren und für unterschiedliche Systemeinstellungen schnell austesten. Zum Kit gehört auch ein Analog-Board, das die digitalen SPI-Ausgangssignale in analoge Signale wandelt. Entwickler können für ihre Systemdesigns mit analogen Schnittstellen die Leistungsfähigkeit testen; beim Analog-Board wurde auf die Pin-Kompatibilität zu herkömmlichen Stromsensoren geachtet.

* Jürgen Mann ist Product Marketing Manager Sensoren bei Infineon Technologies, Neubiberg.

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