Infineon: Hall-Sensor für Strommessungen bis 120 A

Fortsetzung des Artikels von Teil 2.

Aufbau und Funktionsprinzip

Block-Diagramm des TLI4971 Bildquelle: © Infineon

Bild 2: Block-Diagramm des TLI4971

Bild 2 zeigt das Block-Diagramm des XENSIV TLI4971. Der Stromfluss durch die Stromschiene auf der Primärseite induziert ein magnetisches Feld, das von den zwei differenziellen Hall-Elementen gemessen wird. Ein leistungsfähiger Verstärker kombiniert das Signal des differenziellen Feldes mit der Kompensations-Information der Temperatur- und Stress-Messung. Letztendlich wird das Ausgangssignal mit einer hohen Bandbreite von 120 kHz ausgegeben

Je nach Programmierungs-Option kann das analoge Ausgangssignal als single-ended, voll differenziell oder semi-differenziell ausgegeben werden. Bei single-ended wird das analoge Signal an AOUT ausgegeben, wobei VDD als Referenzspannungseingang dient. Beim voll differenziellen Modus werden sowohl AOUT (positive Polarität) als auch VREF (negative Polarität) als Signal-Ausgänge genutzt, um den Ausgangssignalhub zu verdoppeln. Durch das differentielle Messprinzip werden Störungen, die auf beiden analogen Ausgangssignalen wirken kompensiert. Bei der semi-differenziellen Konfiguration wird eine interne Referenzspannung genutzt und an VREF bereitgestellt. Der erfasste Strom steht an AOUT zur Verfügung. Für bidirektionale Strommessungen wird die Referenzspannung in die Mitte des Aussteuerungsbereichs gelegt. Für Strommessungen mit nichtwechselnden Vorzeichen kann die Referenzspannung entsprechend in den unteren oder oberen Aussteuerungsbereich eingestellt werden. 

Schneller Überstrom-Schutz

Der XENSIV TLI4971 verfügt über zwei Ausgänge (OCD1, OCD2) für Überstrom-Signale (siehe auch Bild 3). Diese können für eine Vorwarnung oder auch die System-Abschaltung bei Zerstörungsgefahr genutzt werden. Dafür können Anwender entsprechende Schwellenspannungen für die Überstromsignale programmieren und diese so an die Systemgegebenheiten anpassen, dass keine zusätzlichen externen Bauelemente erforderlich sind. Darüber hinaus liefert der Sensor auch Signale im Fall einer Überspannungs- und Unterspannungs-Bedingung der Versorgungsspannung.

Ein zum analogen Ausgangspfad unabhängiger parallel arbeitender Signalpfad erlaubt eine schnelle und zuverlässige Erkennung von möglichen Überlastströmen. Die symmetrischen Schwellwerte sind für beide Ausgänge (OCD1 und OCD2) einstellbar und triggern ein Überstrom-Ereignis bei positiven oder negativen Überstrom. Ein vom Anwender programmierbarer Glitch-Filter ist implementiert, um schnelle Schalt-Transienten zu unterdrücken. 

Der separate interne Signalpfad für die Überstromerkennung ermöglicht eine sehr schnelle Ansprechzeit von typisch 1,5 µs. Verbunden mit dem Logik-Eingang eines Mikrocontrollers können die OCD-Pins 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 XENSIV TLI4971-Sensoren mit einem einzelnen Eingangspin eines Mikrocontrollers zu verbinden.

Flexibel für vielfältige Applikationen

Dank der flexiblen Konfiguration kann der Sensor für vielfältige Applikationen ausgelegt werden. So sind der Messbereich, die OCD-Schwellwerte, -Verzögerungszeiten und Ausgangs-Modi für den Anwender zugänglich in einem EEPROM angelegt. Dieser Speicher kann vor Ort über eine serielle Schnittstelle programmiert werden. 

Eine typische Anwendung ist die Phasenstrommessung in Antrieben (Bild 5). Hier sind eine entsprechende genaue Motorregelung, Schutz der Ausgangsstufen gegenüber Überstrom, präzise Strommessungen in rauen Umgebungen, eine galvanische Hochspannungs-Isolation und Robustheit gegen steile Spannungstransienten gefordert. Dafür bietet der TLI 4971 eine Genauigkeit von < 3% über die Temperatur und Lebenszeit, zwei unabhängige Ausgangs-Anschlüsse für die Überlast-Erfassung, hohe Robustheit gegenüber Streufeldern sowie galvanische Isolation zwischen der Stromschiene und dem Sensor. Für das Systemdesign bedeutet das, dass keine Schirmung erforderlich ist, das Layout vereinfacht wird und letztendlich Fläche und Kosten eingespart werden Mit einer einfachen Kalibrierung bei Raumtemperatur kann der Fehler auf unter 2 Prozent reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht die differenzielle Messung mit den zwei Hall-Zellen eine hohe Genauigkeit, auch bei rauschbehafteten Umgebungen mit Übersprechen von benachbarten Stromleitungen. 

Verfügbarkeit

Das erste Familienmitglied der neuen Stromsensor-Familie, der XENSIV TLI4971, misst Ströme bis zu 120 A. Er ist für vielfältige industrielle Anwendungen ausgelegt, wie Motorantriebe bis zu 50 kW oder Photovoltaik-Wechselrichter. Weitere Produkte der Sensor-Familie werden im Laufe 2020 eingeführt – darunter auch Versionen, die für die Automobilelektronik qualifiziert sind. Der Produktionsstart für den TLI4971 ist für September 2019 geplant.