Til strømføling på kredsløb er dedikerede modstande typisk designerens førstevalg. Men nu og da opstår fristelsen til at anvende lederbanerne i printet til strømsensorfunktionen. Det er muligt, men der er en grund til, at vi ingeniører har udviklet shunt-modstanden til måling af strøm
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 3 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Jerry Steele, Microchip Technology
Modstande til føling/måling af strøm – typisk kaldet ”shunts” – bruges ofte til en præcis måling af strømmen i en belastning. Shunt-modstande er placeret i serie med belastningerne, og de giver en spænding proportionalt med den strøm, der løber igennem shunten. I applikationer med høje strømme kan disse modstande blive meget store, og der vil blive afsat en del effekt i form af varme. Med dét i tankerne er det fristende, hvis en eksisterende kobberbane på et print kunne udgøre en løsning. Problemerne ved at anvende en kobberbane på printet er den modstandstemperaturkoefficient på +0,39%/°C, som medfører en lav præcision over temperaturen.
Der er flere vanskeligheder ved at bruge en lederbane som shunt, primært det, at modstanden af kobberet er ekstremt lav, hvorved den målte spænding bliver så lav, at en efterfølgende signalforstærkning er påkrævet – og udfordrende – eller at længden af shunt-lederbanen fordyrer løsningen, fordi printarealet skal gøres større. Arealet bliver også påvirket af de nødvendige modstandstolerancer. Hvor smalle lederbaner ville reducere den nødvendige længde og minimere arealet, så dikterer ætsningstolerancerne normalt en minimum lederbanebredde mellem 0,38mm og 0,64mm. Dertil kommer den nævnte koefficient på +0,39%/°C, hvad der vil medføre et fald i den målte strøm med omtrent 20 procent ved en 50°C temperaturstigning. Tolerancerne i dimensioneringen påvirker også modstandsværdien. Ætseprocessen for printet definerer typisk den minimalt acceptable lederbanebredde.
Genvej til præcis strømføling med lederbaner
Der er dog en genvej til løsning af det nævnte temperaturkoefficientproblem, som designere af on-chip kredsløb kender til, og som de løser gennem geometriske forholdstal, der definerer et kredsløbs gain i stedet for at fokusere alene på absolutte værdier. Selv om metoden ikke er uden vanskeligheder på grund af de meget lave spændingsfald – som regel under 10mV – så kan moderne op-amps med nul-afdrift (auto-zero eller chopper) være en umiddelbar løsning på problemet med de lave spændingsfald. Der vil være begrænsninger i forhold til at opnå den indledende præcision, men med kalibrering kan metoden være særdeles præcis.
Idéen er at danne to modstande med et geometrisk forhold, der definerer det ønskede gain. Hvis vi nu forestiller os en sti til en høj strøm (kaldet RSHUNT) med de følgende (normaliserede) dimensioner, længden (L) =1 og bredden (W) =10. For gain-indstillingskomponenten (kaldet RG) danner vi en anden sti med L=10 og W=1. Det giver et dimensioneret modstandsforhold på 100:1. Da gain-modstanden har til formål at temperaturkompensere den høje strøm i RSHUNT-stien, skal komponenten placeres symmetrisk og tæt på RSHUNT-komponenten. Figur 2 viser koncepttegningen bag matching af forholdet mellem en kobberlederbane og en gain-indstillingsmodstand på lederbanen, der skal minimere de indledende fejl, samt fejl som følge af temperaturen. Layout af modstandene bruger forholdet til den indbyrdes beregning.
Et grundlæggende kredsløb til test af konceptet er illustreret i det forenklede diagram i figur 1. Op-amp’en driver en MOSFET, der forsyner feedback-strømmen, som kræves af gain-modstanden. Den leverer et spændings-output proportionalt med den målte strøm. Det er et grundlæggende kredsløb designet til ”low-side føling”, hvor den ene terminal i strøm-shunten er jordet, og forstærkerens output har reference til jord. Læg mærke til, at kredsløbet kræver en op-amp med en udtalt lav offset på input, som det typisk er tilfældet i nul-afdrifts forstærkere (Microchips MCP6V76-serie er nul-afdrift forstærkere med maksimalt 25µV input-offset).Læg også mærke til, at i det forenklede diagram er strømmen gennem R3 og RG altid en funktion af input-strømmen og forholdet mellem RSHUNT– og RG -modstandene. De faktiske værdier af RSHUNT og RG er kun nødvendige, hvis man skal udregne den samlede strøm for at konstatere, om den er inden for grænserne for MOSFET’en T1. Forholdet mellem RSHUNT og RG kan udregnes fra:
Denne strøm sætter et forhold, hvor output-strømmen er en brøkdel af input-strømmen proportionalt med den geometriske relation. Spændingen over R3 bliver brugt som output og kan varieres, så gain kan tilpasses enhver ønsket værdi. Et eksempel på et kredsløb, der beskriver RSHUNT og RG, er vist med sit low-side strømfølerkredsløb i figur 2 og figur 3.
Målingen af ydelsen
Kredsløbet i figur 1 er implementeret til føling på low-siden for at demonstrere kompensationen i kobberlederbanerne. Der er ikke satset på at opnå en absolut præcision, og værdier er normaliserede til målingerne, der er vist i tabellen nedenfor.
På et breadboard baseret på Microchips MCP6V76 op-amp blev de følgende værdier målt i en test af temperaturafdriftet mellem 25°C og 125°C. Fejlraten var flad til over 100°C, og meget af fejlen over de 125°C kan tilskrives afdrift i andre komponenter som i den konventionelle gain-modstand og forstærker (se tabel i originaludgaven).
Implementering af high-side strømføling
En high-side sensorversion kan bygges med afsæt i det velkendte ”Current Drive Current Sensing”-kredsløb vist i figur 4.
Current Drive-kredsløbet kan let tilpasses lederbane-kompensationsmetoden, hvor RCuSHUNT og RCuGAIN1 er printets lederbaner. RG er en konventionel modstand indstillet til det overordnede, ønskede gain-niveau. Z1 er en rail-to-rail zener-spændingsregulator for op-ampen. D1 giver input-beskyttelse, i tilfælde af at belastningen kortsluttes.
Overvej dedikeret strømmåling med shunts
Når man har implementeret en strømføler på sit prints lederbaner finder man ud af, hvorfor mennesket opfandt modstandene. Det nødvendige printareal til implementering af præcis strømføling med lederbaner vil uundgåeligt kræve et større printareal. Med tanke på, at selv de bedste forstærker-offsets er på mellem 5- og 10µV, og at en brugbar præcision begynder ved fuldskala spændingsfald en faktor 10 over disse værdier, så vil man nok komme til den konklusion, at den fysisk mindste løsning vil have fordel af en dedikeret shunt-modstand.
Et eksempel er vist i figur 5, hvor enkeltheden i at anvende en dedikeret shunt-modstand og strømfølerforstærkere bliver tydelig. Shunten udgør en præcisionsmodstand med en samtidig meget lav temperaturkoefficient. Moderne strømfølerforstærkere med nul-afdrift og lav offset-strøm tillader endnu lavere spændingsfald over shunten, hvilket både forbedrer effektiviteten og (ofte) tillader fysisk mindre shunts på grund af den lavere effektafsættelse i den dedikerede modstand. Både envejs- og tovejsmålekredsløb bliver også ret lette at designe og implementere.
Billedtekster:
Figur 1: Grundlæggende kredsløb for low-side strømføler med temperaturkompenseret kobberbane-shunt på printet.
Figur 2: Design med de tænkte shunt- og gain-indstillings lederbaner.
Figur 3: Closeup af et test-board med en amerikansk 25-cents mønt (quarter) for at vise den faktiske størrelse. Lederbanerne fra TP6 til TP7 er RSHUNT, mens lederbanen fra TP6 til TP8 er kobber gain-modstanden RG. Området dækket af quarter’en er den ubrugte del af kredsløbet.
Figur 4: Current Drive Current Sensing-kredsløb til følerfunktion på high-siden.
Figur 5: Dedikeret strømføler-forstærkerkredsløb med brug af Microchips MCP6C02-100 strømfølerforstærker.
