Hall-Sensoren Digitaler Stromsensor liefert hochgenaue Ergebnisse bis 50 A

Autor / Redakteur: Jürgen Mann * / Gerd Kucera

Vielseitig sind die Anwendungen des Stromsensors TLI4970 auf Halleffekt-Basis. Etwa Solar-Wechselrichter, Stromversorgungen mit Leistungsfaktorkorrektur, Akku-Ladegeräte oder elektrische Antriebe.

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(Bild: Infineon)

Viele Anwendungen nutzen Stromsensoren: angefangen von Solar-Umrichtern und elektrische Antrieben über Stromversorgungen, Server- und Telekom-Applikationen, Beleuchtungsmanagement und Haushaltsgeräte bis hin zu Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen. Aufgrund steigender Anforderungen hinsichtlich Energieeffizienz und effizienterer Energie-umwandlung wird der Bedarf an Stromsensoren weiter zunehmen. Alle Applikationen verlangen nach Sensoren, die möglichst wenig Platz beanspruchen, geringe Verluste aufweisen, flexibel und kosteneffektiv sowie über die gesamte Lebenszeit hoch präzise und sicher im Betrieb sind. Der Hall-basierte Stromsensor TLI4970 erfüllt diese Anforderungen.

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Detaillierte Informationen über die aktuell fließenden Ströme sind für vielfältige Applikationen erforderlich, wobei jede Anwendung unterschiedliche Kriterien bezüglich Genauigkeit (absolut und über die Produktlebenszeit), Unterdrückung von Störfeldern, Schutz gegenüber Manipulation, Messbereich, Verlustleistung, Bandbreite, Abmessungen und Kosten hat. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Methoden zur Strommessung entwickelt.

Bei Magnetfeld-basierten Sensoren kann zwischen Open-Loop- (direktabbildender Stromwandler) und Closed-Loop-Konfiguration (Kompensationsstromwandler) unterschieden werden. Bei Open-Loop-Systemen erzeugt der Primärstrom in einem Ringkern ein magnetisches Feld, das ein Hallsensor in eine Messspannung umsetzt. Hierbei konzentriert sich der durch den Primärstrom erzeugte Magnetfluss im Magnetkreis. Bei Closed-Loop-Systemen wird der durch den Primärstrom erzeugte Magnetfluss mit Hilfe einer Sekundärwicklung kompensiert, wozu ein Hallsensor mit entsprechender Elektronik zum Einsatz kommt.

Beide Verfahren haben Einschränkungen bezüglich der Verluste im Kern, Sättigungs- und Hysterese-Effekte sowie Langzeitdrift. Im Vergleich zu herkömmlichen Open- oder Closed-Loop-Systemen mit magnetischen Kernen bietet der digitale Stromsensor TLI4970 eine deutlich verbesserte Genauigkeit. Dies wird mit maximal 1% (0h) bzw. maximal 1,6% über die gesamte Lebenszeit spezifiziert.

Keine externe Kalibrierung oder zusätzliche Komponenten

Der TLI4970 von Infineon ist ein hoch präziser Stromsensor auf Basis der bewährten Halleffekt-Technologie, mit galvanischer Trennung zwischen der Primärseite (Stromschiene) und der Sekundärseite (Interface zum Mikrocontroller). Das kernlose Konzept ohne Magnetfluss-Konzentrator wie bei Open-Loop-Konfigurationen erlaubt eine signifikante Miniaturisierung und weist auch keine Hysterese-Effekte auf. Der Sensor ist in einem außerordentlich kompakten SMD-Gehäuse untergebracht und benötigt nur ein Viertel der Fläche von vergleichbaren Chips (Bild 1). Die vollständig digitale Sensorlösung ist für einen problemlosen Einsatz ausgelegt, denn es sind keine externe Kalibrierung oder zusätzliche Komponenten (wie AD-Wandler, Operationsverstärker oder Spannungsreferenzen) erforderlich, mit entsprechender Vereinfachung des System-Designs, bei weniger Leiterplatten-Fläche und geringeren Kosten.

Das im TLI4970 integrierte differentielle Messprinzip schützt gegen Störungen durch externe Magnetfelder. Damit erreicht der Sensor einen sehr geringen Offsetfehler von maximal nur 25 mA. Bei konventionellen Strommess-Prinzipien ist die Messgenauigkeit immer von Umgebungsbedingungen abhängig, beispielsweise von der Temperatur. Darüber hinaus kommt es zu erheblichen, nicht deterministischen Drift- bzw. Alterungserscheinungen, die die Genauigkeit der Strommessung negativ beeinflussen und daher Vorhalte im System-Design erforderlich machen.

Der TLI4970 schließt derartige Abhängigkeiten aus, denn er beinhaltet separate Strukturen zur Messung der Temperatur und des mechanischen Stresses. Durch die separate Messung beider Größen im Betrieb lässt sich eine permanente effektive Kompensation vornehmen. Sie ist der Grundstein für eine langzeitstabile Messung und damit für hoch effiziente, zuverlässige und kostenoptimierte Umrichter oder Motoren.

Mit dem TLI4970 können Wechsel- und Gleichströme bis zu +/- 25 bzw. 50 A in Applikationen wie Solar-Umrichtern, Stromversorgungen mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), Ladegeräten oder elektrischen Antrieben gemessen werden. Das kontaktfreie Messprinzip verursacht keine zusätzlichen Verluste und ist damit prädestiniert für Strom sparende Designs (Rp < 0,6 mΩ). Dank integrierter Streufeld-Unterdrückung ist der Sensor sehr robust gegenüber externen magnetischen Feldern.

Neben der genauen Strommessung kann auch ein sehr effizienter Schutz der Leistungsendstufe implementiert werden. Bei externen Kurzschlüssen beispielsweise können kritische Überströme auftreten. Um die Latenzzeit extrem kurz zu halten, stellt der Stromsensor TLI4970 einen parallelen Signalpfad zur Verfügung. Für die Fehlererfassung benötigt der Sensor so nur 1,8 µs (typisch). Um die Überstrom-Schwelle optimal an die Applikationsanforderungen anzupassen, kann der Systementwickler sowohl den Stromwert als auch die nachgeschaltete Filterung im Sensor programmieren.

Die Integration der Stromschiene innerhalb des SMD-Gehäuses ermöglicht die vollständige Kalibrierung des Sensors bei Auslieferung. Ein späterer und aufwendiger kundenseitiger Kalibrierungsprozess nach der Montage entfällt somit. TLI4970 ist einer der ersten Stromsensoren, der die Messwerte über die digitale 16-Bit-SPI-Schnittstelle (13-Bit-Stromwert) sendet. Er integriert beispielsweise Differenzverstärker, Filter und Signalverarbeitung und erlaubt den Aufbau einer galvanisch isolierten Messung bis zu 600 V Betriebsspannung und bis zu 3600 V Prüfspannung.

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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