Många strömavkänningskretsar följer samma enkla recept: skapa ett spänningsfall över ett avkänningsmotstånd: förstärk spänningen och läs av den med en A/D-omvandlare. Men om avkänningsmotståndet ligger på en potential som skiljer mycket från systemets jord blir saken rätt komplicerad. I vanliga lösningar överbryggas spänningsskillnader i den analoga eller den digitala domänen. Här ges en annan metod, trådlös, beskrivs här av Kris Lokere, strategisk applikationschef, signalbehandlingsprodukter, Analog Devices Inc.

Högsidans strömavkänningsförstärkare fungerar i den analoga domänen. Kretsarna är kompakta, men halvledarprocessen begränsar den spänningsskillnad som kretsarna tål. Kretsar märkta för mer än 100 V är sällsynta. Och kretsarna blir ofta mindre noggranna om avkänningsmotståndets ”common mode”-spänning ändras snabbt eller går både över och under systemets jord.

Magnetiska eller optiska isolatorer bryter vanligtvis isolationsbarriären i den digitala domänen. Hårdvaran kan bli lite klumpig, men fungerar utan att förlora noggrannhet och tål normalt tusentals volt. Kretsarna behöver en isolerad kraftenhet men en sådan kan ibland integreras i isolatorkomponenten. Om avkänningsmotståndet är fysiskt sett skild från huvudsystemet kan det också bli nödvändigt att dra långa ledningar eller kablar.

De senaste teknikerna inom energisnål signalbehandling och trådlösa system erbjuder en ny metod. Genom att låta hela kretsen följa avkänningsmotståndets “common mode” och överföra uppmätt data trådlöst, blir det inga spänningsbegränsningar. Avkänningsmotståndet kan placeras varsomhelst, utan behov av kabeldragning. Om kretsen har mycket låg effekt behöver man inte ens en isolerad kraftenhet utan kan använda ett litet batteri i flera år.

Trådlös strömavkänning
Strömavkänningskretsen i fig 1 utnyttjar den chopperstabiliserade operationsförstärkaren LTC2063 för att förstärka spänningsfallet över ett avkänningsmotstånd.

Fig 1. En energisnål trådlös strömavkänningskrets utrustas med en strömsnål “chopper”-baserad operationsförstärkare som förstärker avkänningsspänningen, digitaliseras med en energisnål A/D-omvandlare och referens samt ansluts till en trådlös  SmartMesh IP-baserad radiomodul. En energisnål DC/DC-omvandlare underhåller batteriet och håller reda på den laddning som dras från batteriet.

Den mycket effektsnåla A/D-omvandlaren av SAR-typ, AD7988, digitaliserar värdet och rapporterar resultatet via ett SPI-gränssnitt. LTP5901-IPM är den trådlösa modul som automatiskt bildar ett IP-baserat ”mesh”-nät med andra intilliggande noder. Den har också en inbyggd styrkrets som avläser SPI-porten hos AD7988. LTC3335 är en nanoströmbaserad “buck-boost”-regulator som omvandlar batterispänning till en konstant utspänning. LTC3335 inkluderar också en Coulomb-räknare som rapporterar den sammanlagda laddning som dras från batteriet.

Mikroeffekts ”Zero-drift” operationsförstärkare
För att minimera värmeutvecklingen i avkänningsmotstånd begränsas spänningsfallet normalt till 10 mV-100 mV. För att mäta det krävs en ingångskrets med lågt “offset”-fel, såsom exempelvis en ”zero-drift”-baserad operationsförstärkare. LTC2063 är en ultraströmsnål, chopperstabiliserad operationsförstärkare med maximal matningsström på 2 µA. Eftersom “offset”-spänningen är mindre än 10 µV kan den mäta även mycket små spänningsfall utan noggrannhetsförlust.

Fig 2. Strömavkänningskretsen följer avkänningsmotståndets spänning. LTC2063s “chopper”-baserade operationsförstärkare förstärker avkänningsspänningen och förspänner den “mid-rail” för A/D-omvandlaren AD7988. LT6656-3 ger precisionsreferens på 3 V. Vissa avkopplingskondensatorer visas inte för att ge en klarar bild av uppkopplingen.

Fig 2 visar LTC2063 konfigurerad att förstärka och nivåskifta spänningen över ett 10 mΩ avkänningsmotstånd. Förstärkningen väljs så att en ±10 mV fullskala på avkänningsmotståndet (vilket motsvarar ±1 A ström) överensstämmer med nästan ett fullskaligt område för utgången, centrerat kring matningens mitt. Den förstärkta signalen leds till en 16-bitars SAR-A/D-omvandlare. AD7988 valdes på grund av sin mycket låga “standby”-ström och goda DC-noggrannhet. Vid låg samplingshastighet stängs A/D-omvandlaren automatiskt av mellan omvandlingar, vilket resulterar i en genomsnittlig strömförbrukning på endast 10 µA vid 1 kSa/s. LT6656s spänningsreferens drar mindre än 1 µA och matar förstärkaren, nivåskiftande motstånd och A/D-omvandlarens referensingång.

Trådlöst ”mesh”-nät för industrin
Trådlösa SmartMesh-moduler, som exempelvis LTP5901-IPM, inkluderar sändtagare, inbyggd styrkrets och nätverkets programvara. När flera SmartMesh-noder (s k ”motes”) startas i närheten av en nätstyrenhet, känner de automatiskt igen varandra och bildar ett trådlöst ”mesh”-nät. Samtliga ”motes” i ett nätverk tidssynkroniseras automatiskt, vilket innebär att varje radio endast startar under mycket korta och specifika tidsintervall. Därmed kan varje nod fungera som källa till sensorinformation och som en ”routing”-nod för överföring av data från andra noder till styrenheten. Detta ger ett mycket tillförlitligt, energisnålt ”mesh”-nät där flera vägar är tillgängliga från varje nod till styrenheten, trots att samtliga noder, även ”routing”-noderna, fungerar vid mycket låg effekt.

ARM Cortex M3 styr
LTP5901-IPM inkluderar en ARM Cortex-M3 styrkretskärna som kör nätverkets programvara. Användare kan dessutom skriva applikations-“firmware” för att utföra uppgifter som är specifika för en viss användartillämpning. I detta exempel avläser styrkretsen i LTP5901-IPM SPI-porten hos den strömmätande A/D-omvandlaren (AD7988) och I²C-porten hos Coulomb-räknaren (LTC3335).
Styrkretsen kan också sätta den “chopper”-baserade operationsförstärkaren (LTC2063) i avstängt läge, vilket minskar strömförbrukningen ytterligare från 2 µA till 200 nA. Det ger extra effektbesparing i användningsmodeller med extremt långa intervall mellan mätningar.

Nanoströmbaserad Coulomb-räknare
Vanlig strömförbrukning för en “mote” som rapporterar en gång per sekund är mindre än 5 µA för mätkretsen och kan vara 40 µA för trådlös radio. I praktiken beror kraftförbrukningen på flera olika faktorer som exempelvis hur ofta signalkedjan gör en avläsning och hur noderna är konfigurerade i nätverket.

Exempelkretsen drivs av två alkaliska primärceller. Batteriets inspänning regleras av LTC3335s nanoströmbaserade “buck-boost”-omvandlare med integrerad Coulomb-räknare. Den kan ge en reglerad utgång på 3,3 V från inspänningsmatning på mellan 1,8 V och 5,5 V. Lastströmmen i pulsade trådlösa tillämpningar kan variera mellan 1 µA och 20 mA, beroende på om radion befinner sig i aktivt läge eller sovläge. LTC3335 har en viloström på endast 680 nA utan last, vilket gör hela kretsen mycket energisnål när radion och signalkedjan befinner sig i sovläge. LTC3335 kan ändå ge så hög utgång som 50 mA, vilket ger tillräcklig kraft under radiosändning och -mottagning och för en rad olika signalkedjekretsar.

I högt tillförlitliga trådlösa sensorsystem är det inte acceptabelt för batterier att sluta fungera. Samtidigt resulterar alltför frekventa batteribyten i oönskade kostnader och driftstopp. Slutsats: Det behövs noggranna kretsar för batteriuttag. LTC3335 har en inbyggd Coulomb-räknade. När regulatorn switchar håller den ordning på den totala laddning som dras från batteriet. Den informationen kan avläsas med hjälp av ett I²C-gränssnitt och kan sedan användas för att förutse när batteriet behöver bytas ut.

Kombinerade styrkor
Kombinationen av Linear Technologys och Analog Devices signalkedja, krafthantering och trådlösa nätverksprodukter möjliggör konstruktionen av en verkligt trådlös strömavkänningskrets. Fig 3 visar ett exempel på en implementering. Den nya ultraenergisnåla “chopper”-baserade operationsförstärkaren LTC2063 kan noga avläsa små spänningsfall över ett avkänningsmotstånd. Hela kretsen, inklusive mikroströmbaserad A/D-omvandlare och spänningsreferens, följer avkänningsmotståndets “common mode”. Den nanoströmbaserade LTC3335-omkopplaren kan kraftmata kretsen i åratal från ett litet batteri, och samtidigt rapportera den samlade batterianvändningen med sin inbyggda Coulomb-räknare. Den trådlösa LTP5901-IPM-modulen styr hela tillämpningen och kopplar automatiskt till ett högt tillförlitligt SmartMesh-baserat IP-nät.

Fig 3. En komplett trådlös strömavkänningskrets implementeras på ett litet kretskort. De enda fysiska kontakterna är bananuttagen för mätning av ström. Den trådlösa radiomodulen visas till höger. Kretsen kraftmatas från två AAA-batterier anslutna på kortets baksida.

Filed under: Analogteknik