Zusammenfassung: In vielen industriellen Anwendungen ist die Erfassung kleiner Differenzspannungen unter Bedingungen hoher Gleichtaktspannungen zur Stromüberwachung erforderlich. Unter diesen Bedingungen ist die Ausgangsstromerfassungsschaltung jedoch komplex und ihre Genauigkeit schwer zu gewährleisten. Der neue High-Side-Stromsensor AD8205 vereinfacht die Erfassungsschaltung und verbessert die Erfassungs- und Regelungsgenauigkeit deutlich. Der AD8205 ist ein leistungsstarker Differenzverstärker von Analog Devices, Inc. mit einfacher Versorgungsspannung von 5 V und einem Eingangs-Gleichtaktspannungsbereich von -2 bis 65 V. Er ist für Eingangs-Gleichtaktspannungen von -5 bis +70 V geeignet und somit ideal für industrielle Anwendungen zur Erfassung kleiner Differenzspannungen unter Bedingungen hoher Gleichtaktspannungen. Es verfügt über eine feste Verstärkung von 50 V/V, einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C, eine Offsetspannungs-Temperaturdrift von weniger als 15 µV/°C und eine Verstärkungs-Temperaturdrift von weniger als 30 ppm/°C (bei Umgebungstemperaturen bis zu 125 °C). Es zeichnet sich durch ein hervorragendes Gleichstromverhalten über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich und eine Gleichtaktunterdrückung von bis zu 80 dB im Frequenzband von DC bis 100 kHz aus. Daher ist sein Messschleifenfehler gering und seine Genauigkeit hoch, wodurch es sich hervorragend für den Einsatz in Steuerungssystemen wie Motorsteuerung, Getriebesteuerung, Magnetschwebetechnik, Fahrzeugleistungssteuerung, Kraftstoffeinspritzsteuerung, Motormanagement und DC/DC-Wandler eignet. Abbildung 1 zeigt das interne Schaltbild des High-Side-Stromsensors AD8205. Der AD8205 besteht aus zwei integrierten Operationsverstärkern (A1 und A2), einem Widerstandsnetzwerk, einer kleinen Referenzspannungsquelle und einer Vorspannungsschaltung (siehe Abbildung 1). Die Vordämpfung von A1 erfolgt über die Widerstände RA, RB und RC, die die Gleichtaktspannung auf einen geeigneten Eingangsspannungsbereich reduzieren. Die beiden Dämpfungsglieder bilden eine Brückenschaltung mit einem Dämpfungsfaktor von 1/16,7. Nach der Dämpfung des Eingangssignals liegt dessen Amplitude innerhalb des Versorgungsspannungsbereichs. Überschreitet die Eingangsspannung die Versorgungsspannung oder liegt sie unterhalb der Spannung des gemeinsamen Masseanschlusses, greift die interne Referenzspannung ein und ermöglicht so den ordnungsgemäßen Betrieb des Verstärkers auch bei negativer Gleichtaktspannung. Im symmetrischen Zustand der Brücke beträgt das durch die Gleichtaktspannung erzeugte Differenzeingangssignal 0 V. Selbstverständlich dämpft das Eingangsnetzwerk auch das Differenzeingangssignal. Verstärker A1 verstärkt das abgeschwächte Signal um den Faktor 26. Sowohl sein Ein- als auch Ausgang sind differenziell, um eine maximale Gleichtaktunterdrückung zu erreichen. Die Widerstände RA, RB, RC, RD und RF weisen nach der Laserkalibrierung eine Anpassungsgenauigkeit von besser als 0,01 % auf. Diese hochpräzise Kalibrierung ermöglicht eine Gleichtaktunterdrückung von über 80 dB. Verstärker A2 wandelt das Differenzsignal von A1 in ein Single-Ended-Signal um und verstärkt es um den Faktor 32,15. Die Referenzeingänge VREF1 und VREF2 sind über den Widerstand RREF mit dem nichtinvertierenden Eingang von A2 verbunden, wodurch die Ausgangsspannung innerhalb des gewünschten Bereichs frei eingestellt werden kann. Bei paralleler Verwendung beider Referenzeingänge beträgt die Verstärkung der Referenzspannung vom Eingang zum Ausgang 1 V/V; bei Verwendung nur eines Referenzeingangs beträgt die Verstärkung 0,5 V/V. Die Gesamtverstärkung des AD8205 setzt sich aus der Dämpfung (1/16,7) des Dämpfungskreises, dem Verstärkungsfaktor A1 (26) und dem Verstärkungsfaktor A2 (32,15) zusammen. Der AD8205 verfügt über eine Pull-Down-Stromsenke von 300 µA und verwendet einen Class-A-PNP-Transistor mit Pull-Up-Widerstand für den Ausgang. Er bietet einen unipolaren Ausgangsmodus, der typischerweise zur Messung von unidirektional veränderlichen Strömen durch einen Abtastwiderstand verwendet wird. Es gibt zwei grundlegende Betriebsarten: massebezogen und V+-bezogen. Im unipolaren Modus kann der Ausgang bei einem Differenzeingang von 0 auf einen negativen (nahe Masse) oder positiven Scheitelwert (V+) vorgespannt werden. Wird eine Differenzspannung an den Eingang angelegt, kehrt sich die Ausgangsspannung auf ihren Scheitelwert um. In diesem Fall entspricht die volle Ausgangsamplitude einer Eingangsdifferenzspannung von ca. 100 mV, deren Polarität durch die statische Einstellung der Ausgangsspannung bestimmt wird. Bei Vorspannung am positiven Scheitelpunkt sollte die Eingangsdifferenzspannung negativ sein und der Ausgang vom positiven Scheitelpunkt abfallen; umgekehrt sollte bei statischer Vorspannung gegen Masse die Eingangsdifferenzspannung positiv sein und der Ausgang von 0 ansteigen. Abbildung 2: Unipolare Ausgangsanschlussmethoden (a) Ausgang mit externer Referenzspannung (b) Ausgang mit separater Referenzspannung. Abbildung 3: Bipolare Ausgangsanschlussmethoden (a) Stromsensor auf der High-Side und Schalter auf der Low-Side (b) Stromsensor auf der High-Side und Schalter auf der High-Side. Abbildung 4: Schaltungskonfigurationen. Die Ausgangsanschlussmethode mit Massebezug ist in Abbildung 2(a) dargestellt. Beide Referenzeingänge sind mit Masse verbunden. Bei einer Eingangsdifferenzspannung von 0 ist der Ausgang auf den invertierenden Scheitelpunkt (ca. 0,05 V) vorgespannt. Die Ausgangsanschlussmethode mit V+-Referenz ist in Abbildung 2(b) dargestellt. Beide Referenzeingänge sind mit der positiven Versorgungsspannung verbunden. Bei einer Eingangsdifferenzspannung von 0 V ist der Ausgang auf den positiven Spitzenwert (ca. 4,8 V) voreingestellt. Bipolarer Ausgang: Im bipolaren Ausgangsmodus kann der AD8205 den durch den Abtastwiderstand fließenden Strom in beide Richtungen messen. In diesem Fall kann der Ausgang auf jede beliebige Position innerhalb des Ausgabebereichs voreingestellt werden. Sind die in positiver und negativer Richtung erfassten Ströme gleich groß, muss der Ausgang auf die Mittelstellung des Vollausschlags voreingestellt werden. Bei asymmetrischen Stromamplituden kann die Ausgangsvoreinstellung entsprechend von der Halbwertsstellung abweichen. Die beiden Referenzeingänge VREF1 und VREF2 sind jeweils mit einem internen Widerstand RREF und anschließend mit demselben internen Vorspannungsknoten verbunden. Die Funktionsweise beider Referenzeingänge ist identisch. Durch Anlegen der entsprechenden Spannung an die beiden Referenzspannungseingänge kann der Ausgang voreingestellt werden. Im bipolaren Ausgangsmodus gibt es im Allgemeinen zwei Anschlussmöglichkeiten: 1) Bei gleicher bidirektionaler Eingangsstromamplitude werden beide Referenzspannungseingänge mit dem Ausgang einer externen Referenzspannungsquelle verbunden (siehe Abbildung 3(a)). Ist die Eingangsspannung negativ relativ zu -IN, sinkt die Ausgangsspannung gegenüber der Referenzspannung. Ist sie hingegen positiv relativ zu -IN, steigt die Ausgangsspannung gegenüber der Referenzspannung. 2) Einer der beiden Referenzspannungseingänge wird mit dem Versorgungsspannungsanschluss V+ verbunden, der andere mit Masse (siehe Abbildung 3(b)). Bei einer Eingangsdifferenzspannung von 0 V ist die Ausgangsspannung auf die Mittelstellung der Versorgungsspannung des AD8205 voreingestellt. Der Vorteil dieser Anschlussart besteht darin, dass für die Messung bidirektionaler Ströme keine externe Referenzquelle benötigt wird. Der Ausgang erzeugt automatisch eine Halbamplituden-Vorspannung proportional zur Änderung der Versorgungsspannung. Das heißt, unabhängig davon, ob die Versorgungsspannung steigt oder fällt, bleibt der Arbeitspunkt des Ausgangs stets in der Mittelstellung der Versorgungsspannung. Bei einer Versorgungsspannung von beispielsweise 5 V beträgt die Ausgangsspannung 2,5 V; steigt die Versorgungsspannung um 10 %, beträgt die Ausgangsspannung 2,75 V. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist der Anschluss eines High-Side-Stromsensors an einen Low-Side-Schalter (siehe Abbildung 4(a)). Der Source-Anschluss des PWM-Steuerschalters ist mit Masse verbunden, und die induktive Last sowie der Abtastwiderstand sind in Reihe zwischen Versorgungsspannung und PWM-Steuerschalter geschaltet. Im geschlossenen Zustand des PWM-Schalters sinkt die Gleichtaktspannung am Abtastwiderstand auf nahezu ihren negativen Spitzenwert. Im geöffneten Zustand entspricht die Gleichtaktspannung am Abtastwiderstand der Summe aus Versorgungsspannung und Durchlassspannung der Freilaufdiode. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass der Abtastwiderstand auch bei geschlossenem PWM-Schalter, da er auf der Hochspannungsseite der Stromversorgung liegt, weiterhin im Stromkreis liegt. Dadurch kann der gesamte Laststrom, einschließlich des Freilaufstroms, überwacht werden, und Kurzschlüsse gegen Masse lassen sich leicht erkennen, um den Stromkreis vor Kurzschlüssen zu schützen. Der Hochspannungsstromsensor und der Hochspannungsschalter sind wie in Abbildung 4(b) dargestellt angeschlossen, wobei sich sowohl der PWM-Schalter als auch der Abtastwiderstand auf der Hochspannungsseite befinden. Wenn der PWM-Schalter eingeschaltet ist, wird die Lastversorgung unterbrochen, der Freilaufstrom kann jedoch weiterhin zur Stromregelungsdiagnose herangeführt und überwacht werden. Im Betrieb ist die Stromversorgung die meiste Zeit von der Last getrennt, wodurch die negativen Auswirkungen der Spannungsdifferenz zwischen Last und Masse minimiert werden. Wenn der PWM-Schalter geschlossen ist, liegt die Versorgungsspannung an der Last an, und die Gleichtaktspannung steigt auf die Versorgungsspannung an. Wenn der PWM-Schalter geöffnet ist, kehrt sich die Spannung um und fließt über die induktive Last. Dank der Freilaufdiode bleibt die Gleichtaktspannung am Abtastwiderstand unterhalb der Dioden-Durchlassspannung. Die Motorsteuerung ist wie in Abbildung 5 dargestellt angeschlossen. Der AD8205 ist Teil des Regelkreises der H-Brücken-Motorsteuerung. Motor und Abtastwiderstand sind in Reihe geschaltet und in der Mitte der H-Brücke platziert. Durch die Messung der Spannung am Abtastwiderstand lassen sich Strom und Drehrichtung des Motors präzise bestimmen. Der Ausgang des AD8205 ist dabei auf bidirektionale externe Referenz eingestellt. Dadurch kann er den bidirektionalen Strom des H-Brücken-Schalters messen und gleichzeitig die Drehrichtung des Motors überwachen. Da Masse kein besonders stabiles Referenzniveau darstellt, führt die Verwendung von Masse als Referenz zu Messungenauigkeiten. Daher ist dieses Testverfahren deutlich besser als Testmethoden, die Masse als Referenzniveau nutzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schaltung mit dem AD8205 zur Erfassung kleiner Differenzspannungen unter Bedingungen hoher Gleichtaktspannung einfach, zuverlässig und hochpräzise ist. Es eignet sich besonders für Steuerungssysteme wie Leistungsüberwachung, Hydrauliksteuerung und Magnetschwebesteuerung in 42-V-Automobilsystemen.