A szilíciumalapú Hall-szenzort alkalmazó, zárthurkú áramváltók megkerülik azokat a problémákat, amelyek még a legjobb, nyílthurkú áramváltók esetében is fennállnak, kiváltképp a jel/zaj viszonyra, válaszidőre és az érzékenység hőmérsékleti driftjére való tekintettel. A zárthurkú áramváltók legfőbb, architektúrából eredő gyengesége a zérus mérendő áram esetén jelentkező ofszet. Cikkünkben olyan újgenerációs alkalmazásspecifikus áramkört (ASIC-et) ismertetünk, amely integrált Hall-elemek és újfajta, LEM által szabadalmaztatott technológia segítségével a korábbi megoldásokhoz képest jelentősen kedvezőbb ofszet- és ofszetdrift-jellemzőkkel bír. Az új ASIC ezenfelül olyan megoldásokat és funkciókat is kínál, mint az indítási demagnetizálás, túláram-érzékelés, valamint végfelhasználó által kalibrálható határérték-túllépési szintek...

A LEM által kifejlesztett új ASIC chipmérete 1,8×2,0 mm, és 0,35 µm csíkszélességű gyártástechnológiával készül. Az áramkör kilenc Hall-elemet tartalmaz, amelyekből nyolc aktív, ötezer kapuval rendelkezik a digitális blokkban, 128 egyszer programozható memóriarekeszt is kapott. Az 1. ábra a LEM új ASIC-jét szemlélteti.

A 2. ábra azon zárthurkú áramváltók működési elvét mutatja, amelyek a mérendő áram által indukált mágneses tér sűrűségét használják. Az ASIC-be integrált Hall-elemek látják el az érzékelők szerepét. Ez a felállás előnyös olyan szempontból, hogy a mérendő áramtól a Hall-elemek elszigeteltek, továbbá széles frekvenciatartomány támogatott (a DC-t is beleértve). A Hall-elemek az ASIC többi részéhez hasonlóan ugyanúgy standard CMOS gyártástechnológiával készülnek, ezért járulékos költséggel nem járnak.

DC-n és alacsony frekvencián (legfeljebb néhány kilohertzig) a mágneses fluxust a Hall-elemek érzékelik, a másodlagos tekercselésen átfolyó I_S áram és az RM mérőellenállás semlegesíti a fluxust ebben a zárthurkú elrendezésben. Magasabb frekvenciákon az áramváltó passzív áramtranszformátorként működik, a transzformátorhatás értelmében az I_S áram semlegesíti az I_P áramból eredő fluxust. Az IS áram lehet az áramkimenetű áramváltók kimeneti árama, illetve lehetséges feszültségkimenetre is átalakítani az RM ellenállás segítségével, amelyet egy feszültségerősítő követhet a kívánt feszültségkimenet előállításához. A 2. ábrán a feszültségerősítő nem került feltüntetésre. A Hall-elemek pontos érzékenysége nem játszik kitüntetett szerepet, mivel a nyílthurkú erősítésben szerepelnek, amely a jelváltó eredőpontossága tekintetében nem tényező.

Néhány kilohertz frekvencia felett a szekunder áram közvetlenül a transzformátorhatásból ered. Ez gyors ugrásválaszt tesz lehetővé, amelyet csak a tekercs parazita-elemei (rezonanciafrekvencia) és a feszültségerősítő sávszélessége korlátoz. A Hall-elemekből eredő zaj csak a transzformátorhatás életbe lépése alatti frekvenciákon járul hozzá a kimeneti zajhoz, a jel frekvenciatartományát pedig nem korlátozza érdemben. Ezek adják a zárthurkú architektúra valódi szépségét.

Az ofszet és a Hall-elemek 1/f zajának problémája úgy oldható meg, hogy a kimeneteket nagy frekvenciára (~1 MHz) modulálják a Hall-elemek két ortogonális irányra bontásával, majd erősítés utáni demodulálásával.

A jelen cikkben ismertetett új ASIC esetében minimális további alkatrészekre van szükség a feszültségkimenetű áramváltó realizálásához — ez mindössze egy érzékelő ellenállást és három kerámiakondenzátort jelent. Áramkimenetű jelváltó esetében az érzékelő ellenállásra értelemszerűen nincs szükség, hanem a felhasználói oldalra fog kerülni. A 3. ábra a feszültségkimenetű zárthurkú áramváltó kapcsolási rajzát mutatja.

Ha a meghajtó kimeneti feszültség nem elég magas (5 V maximum) és/vagy a kimeneti áram túl alacsony (150 mA maximum), ez a probléma egy ±15 V feszültségű külső meghajtóval áthidalható. Erre a megoldásra főképp nagyáramú (500 A-t meghaladó) méréseknél van szükség, ahol a szekunder áram értéke meghaladhatja az 1 A értéket. Ez a mechanizmus pontosan az új LF xx10 zárthurkú Hall-elemes áramváltók működését írja le ezen ASIC alapján.

Az ASIC architektúrája

Az új ASIC blokkdiagramja a 4. ábrán látható.

Az érzékelőelemek gyenge jel/zaj viszonyát nyolc Hall-elem hivatott feljavítani √8 értékű tényezővel. A jel értéke nyolcszorosára nő, míg a zaj csupán √8-szorosára erősödik.
Az ortogonális felosztás 1 MHz-en semlegesíti a Hall-elem ofszetjét és az 1/f zajt. Az 5. ábra ismerteti ennek a megoldásnak a jól ismert elvét.

Ha a két egymást követő fázisban az ofszet azonos, a váltakozó áramú jel és a DC ofszet egymástól jól elválasztható. Mindazonáltal ez a technika két szempontból is rendelkezik hátránnyal:

1. A jelinformáció két fázisban áll rendelkezésre, ami késleltetést jelent.
2. Ha a felosztás utáni jelet egy mintavételező áramkörrel az eredeti frekvenciájára demoduláljuk, a zajon az aliasing hatás lesz megfigyelhető.

A V_OFFSET ofszetfeszültség ezt követően leválasztásra kerül a V_HALL jelfeszültségről a felüláteresztő szűrőként működő demodulátor által. A Hall-elemek 1 MHz-re modulált kimenetét egy különbségi differencálerősítővel (DDA), mielőtt az egy fokozatba integrált, kapcsolt kondenzátor architektúrás demodulátorra/integrátorra kerülnének. Az integrátor a DC nyílthurkú erősítés elsődleges meghatározója.

Az AB-osztályú meghajtó (H-hidas meghajtó) biztosítja az akár 150 mA szekunder áramot és a sima nullaátmeneti viselkedést. Architektúrájának alapja egy H-híd, így a teljes kilengés ±5 V-tal kisebb lehet, mint a MOS kapcsolókon mérhető feszültségesés (az ellenállás kb. 5 Ω). A H-hidas meghajtót a 6. ábra mutatja.

A zárthurkú működés stabilizálásához fáziskorrekciót kell alkalmazni, mivel alacsony frekvenciákon két fő pólus dominál: az egyiket a tekercs, a másikat az integrátor határozza meg, ezáltal egy pólus-nulla kompenzátor fog bekerülni a hurokba. A kisimpedanciás kimenetet egy szaggatóval stabilizált, fix 4-szeres erősítésű erősítő biztosítja, miután az áram/feszültség-átalakítást az RM érzékelő ellenállás elvégezte. A kimenethez viszonyított ofszet szórása 100 µV.

A különböző zárthurkú topológiákkal való kompatibilitás érdekében különböző szekunder tekercsek, teljes vagy részleges légrések, integrátor-időállandó és pólus-nulla frekvencia a LEM-nél egyedi igényekre szabható. Az ASIC programozását szintén vagy a LEM, vagy pedig a végfelhasználó végzi el az egyszeri beállításra lehetőséget adó biztosítók aktiválásával. A chippel standard UART interfészen keresztül lehet kommunikálni, amely segít az optimális konfiguráció megtalálásában, ezt követően lehet az adott biztosítókat kiégetni.

A korábbi ASIC-generációhoz viszonyított újdonságok

Az előző ASIC-generációhoz képest az új az alábbi fő fejlesztéseket tartalmazza:

• A szekunder tekercset ±5 V teljes kilengésű H-híd biztosítja, szemben a korábbi ASIC-generációnál elérhető ±2,1 V meghajtási lehetőséggel.
• A szekunder tekercs kimeneti meghajtóárama 150 mA, szemben a korábbi ASIC-generációnál elérhető 40 mA meghajtóárammal.
• AB-osztályú, nagy pontosságú kimeneti differenciálerősítő ultraalacsony ofszettel (standard szórás 100 µV) és nagy, közös módusú elnyomási tényezővel (min. 70 dB). A kimeneti erősítőofszet a korábbi ASIC-generációnál 8 mV lépéssel meg volt vágva.
• Végfelhasználó általi konfiguráció egyvezetékes digitális interfészen. Az előző ASIC-generációnál ez nem volt lehetséges.
• LEM általi kalibráció egyvezetékes digitális interfészen. A LEM által teljesítendő egyetlen kalibráció az erősítés vágása 1‰ lépéssel. Ezzel kikerülhető a nagy pontosságú érzékelő ellenállás, amely hőmérsékleti drifjte azonban továbbra is hozzájárul az érzékenységi hibához. Az előző ASIC-generációnál ez nem volt lehetséges.
• Áramérzékelési küszöbérték figyelmeztetési kimenethez. A küszöb értéktartománya I_PN ... 5*I_PN, a lépésköz 0,25*I_PN. Az előző ASIC-generációnál ez nem volt lehetséges.
• Beépített demagnetizálási funkció, amely indításkor is aktiválható a mágnesezettségből adódó kezdeti ofszet semlegesítésére. Az előző ASIC-generációnál ez nem volt lehetséges.
• U_C = 5 V ±5% vagy 3,3 V ±5%. Az előző ASIC-generációnál csak a +5 V volt lehetséges.
• Egyedi eszközazonosító, amely tartalmazza a félvezetőszelet számát, a szeleten az XY-pozíciót (nyomon követhetőség), valamint természetesen hozzáférést az adatnaplóhoz. Az előző ASIC-generációnál ez nem volt lehetséges.
• A referenciafeszültség lehet kimenet vagy bemenet is: kimenetként 0,5, 1,65 vagy 2,5 V lehet, bemenetként 0,5 ... 2,75 V. A referenciafeszültség kimeneti pontossága 25 °C-on ±5 mV. Az előző ASIC-generációnál csak 2,5 V feszültségű referenciakimenet volt elérhető ±25 mV ofszettel, a bemeneti referenciafeszültség értéke 1,9 ... 2,7 V lehetett.
• Az integrátor időállandóját és a nullakompenzációs frekvencia értékét a LEM programozza be biztosítótáblán keresztül. Az előző ASIC-generációnál a kívánt értéket külső kondenzátorral és ellenállással lehetett programozni.

Az ofszetteljesítmény és a LEM szabadalmaztatott megoldása

Az előző generációhoz képest az ofszet és a hőmérsékleti driftje jelentősen jobb lett. A bemenethez képest az áramkimenet ofszetje minden körülmények között kisebb, mint 30 µT, a hőmérsékleti drift pedig kisebb, mint 0,3 µT/°. Feszültségkimenetű jelváltónál ezenfelül a hurkon kívüli erősítő 0,1 mV ofszetje még hozzájárul az eredő ofszethez. Ezek az ofszetjellemzők mintegy negyedét adják annak, amivel az előző generációs ASIC rendelkezett.

A 7. ábra a zárthurkú rendszert mutatja DC-jellemzők mellett az ofszetnövelő tényező vágás előtti állapotában.

A 7. ábrán alkalmazott jelölések értelmezése az alábbi:

• GB a légrés általi mágneses érzékenység, amely fordítottan arányos a légrés szélességével,
• GH az érzékenységi erősítés, amely tartalmazza a Hall-elem érzékenységét és a DDA erősítését,
• N-S a szekunder tekercs menetszáma,
• RCOIL a szekunder tekercs ellenállása,
• GDRV a kimeneti meghajtó fix, 3 értékű erősítése.

A Hall-elem ofszetje rendkívül alacsony, mindössze néhány µT, a LEM speciális, szabadalmaztatott megoldásának köszönhetően. Az új megoldás lényege, hogy a Hall-elemet a szilíciumlapka területén egyszerű összeköttetési hálózattal több Hall-blokkra osztják fel. Ez jelentősen javítja az alkalmazott ortogonális felosztási technológia hatékonyságát. Ezzel a darabokra töréssel a Hall-elem ofszetje sokkal nagyobb hatékonysággal törhető kisebb szintekre.

A felosztás lineáris rendszerben teljesen kiküszöböli az ofszeteket. A Hall-elemek azonban sosem lineárisak, ami azt jelenti, hogy valamilyen mértékű ofszetmaradvány biztosan marad a rendszerben. A nemlinearitás mértéke az előfeszítő feszültség szintjével együtt nő, az alacsony Hall előfeszítési feszültség minimalizálja magát az ofszetet és annak driftelését is.

Az előfeszítési feszültség csökkentése azonban nem jár következmények nélkül, hiszen rontja a jel/zaj viszonyt is, amelynek helyreállításához a Hall-elemek tömbökbe szervezésére és az egyes cellák enyhe előfeszítésére van szükség. A kihívást ebben a megoldásban az jelenti, hogy a Hall-elemek tömbjét áramköri elrendezési korlátok nélkül integrálják, azzal együtt, hogy a geometriai szimmetria és a DDA különbségi differenciálerősítős topológia megmarad. Az áramkör kimenete arányos a differenciális bemenetek összegével. A koncepciót Kejik P., Bourdelle, P.F., Reymond S., Salvi F., Farine P.A. szerzők „Offset Compensation Based on Distributed Hall Cell Architecture” értekezése részletesen leírja (lásd: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6392384).

A szekunder áram eredőofszetje a szilíciumgyártó üzemben kerül megvágásra és biztosítótáblában eltárolásra. A kimeneti erősítő ofszetjének vágására nincs szükség.

Tokozás

Az ASIC-et egy 0,45 mm vastagságú, 4×4 mm befoglaló méretű, QFN típusú tokozásba szerelik. A tokozás worst-case vastagsága 0,5 mm, tehát egy vékony légrés alkalmazható az ofszet csökkentésére és a jel/zaj viszony növelésére. A 8. ábra a tokozott ASIC felül- és alulnézeti képét mutatja.

Az áramkör feliratozásának harmadik sora az áramkör kvalifikációs szintjét jelzi [ES: engineering sample (mintadarab), IND: ipari alkalmazási minősítés, AUT: gépjárműipari minősítés), illetve a LEM által alkalmazott verziószámot adja meg (a 8. ábrán látható áramkör esetében ez „A”)]. A negyedik sor az áramkör időbélyegét tartalmazza „YYWWIZZ” kódolt formátumban, amelyben YY az évet, WW a naptári hetet, I a gyártóüzemet adja meg, ZZ pedig a gyártósor számára fenntartott tartalék területet jelenti.

Minőségi besorolás

Az ASIC minősítése kiterjed minden, az AEC Q100 autóipari szabvány által tartalmazott tesztre, ideértve a vizuális ellenőrzést, ESD-t, hőmérsékleti ciklusos terhelést, 1000 órás öregítést 125 °C hőmérsékleten és 85% páratartalom mellett stb.

Összefoglalás

Láthattuk, hogy a LEM új, zárthurkú áramváltókhoz fejlesztett alkalmazásspecifikus áramköre az előző generációhoz képest mindenekelőtt ofszet és hőmérsékleti drift tekintetében hoz jelentős előrelépést. Ezenfelül támogat olyan hasznos funkciókat is, mint például a demagnetizálás és túláram-érzékelés, valamint az állítható küszöbszintek alkalmazása. A technológia jelen állása mellett még nagyobb teljesítmény csak lényegesen drágább technológiákkal lenne lehetséges, amelyek érzékelhetően jobb jel/zaj viszonyt biztosítanánk a cikkben bemutatott ASIC-ben alkalmazott Hall-szenzorokhoz képest.

Az új ASIC-et első ízben az LF xx10 sorozatú áramváltókban alkalmazzák, amely már első generációs eszközként is biztosítja a jobb pontosságot és kedvezőbb driftjellemzőket a különböző működési hőmérséklet-tartományokban. Az új sorozatú, zárthurkú áramváltók között 200, 300, 500, 1000 és 2000 A névleges áramú modellek is megtalálhatóak, amelyek tökéletesen kielégítik az igényes teljesítményelektronikai alkalmazások minden reális igényét.

A LEM honlapja