Оценка точности измерения тока интеллектуальными силовыми ключами PROFET

16 августа

автомобильная электроникауправление двигателемавтоматизацияInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETMotor DrivePROFET

Интеллектуальные силовые ключи PFOFET производства Infineon могут измерять ток нагрузки с разной точностью, зависящей как от абсолютной величины потребляемого тока, так и от технологии производства конечной продукции, в частности – от наличия или отсутствия этапа калибровки. В статье подробно разбирается расчет коэффициента передачи тока на примере ключа BTS7004-1EPP.

Интеллектуальные силовые ключи PROFET, разработанные компанией Infineon, относятся к элементной базе нового поколения. В самом простом случае ими можно заменить плавкие предохранители и электромеханические реле, традиционно применяющиеся в системах питания постоянного тока. Однако, если задействовать весь набор возможностей этих приборов, то распределительная система на основе ключей PROFET сможет обеспечить функциональность, реализовать которую на традиционной элементной базе будет намного сложнее и дороже, чем при использовании этих решений.

Интеллектуальные ключи PROFET (PROtected mosFET) построены на основе мощных N-канальных MOSFET, коммутирующих питающую шину, находящуюся под высоким потенциалом, поэтому они относятся к ключам верхнего плеча. Сопротивление открытого канала MOSFET ключей PROFET соизмеримо с сопротивлением контактов электромеханического реле, однако отсутствие электромагнита, потребляющего относительно большое количество энергии, приводит к практически нулевым затратам энергии на управление.

В состав силовых ключей PROFET входит интегрированный контроллер, обеспечивающий не только управление силовым транзистором, но и его защиту при возникновении аварийных режимов работы, в том числе перегрузки по току, перегреве и переполюсировке аккумулятора. Кроме этого, силовые ключи линейки PROFET+2 имеют возможность до семи раз подряд автоматически возобновлять подачу напряжения на питаемое оборудование в случае, если ток в цепи нагрузки превышает максимально допустимое значение. Если указанные действия не привели к нужному результату, микросхема PROFET+2 окончательно перейдет в состояние блокировки, обесточив поврежденный сегмент цепи. При этом, в отличие от одноразовых плавких предохранителей, силовой ключ PROFET остается в рабочем состоянии и может возобновить питание нагрузки при подаче соответствующих управляющих сигналов.

Ключевым преимуществом ключей PROFET является наличие интегрированного узла контроля тока, с помощью которого можно сформировать на внешнем резисторе напряжение, пропорциональное току нагрузки. Это позволяет центральному процессору получить информацию о состоянии оборудования, и, в зависимости от результатов измерений, выбрать требуемый алгоритм поведения всей системы. Однако для принятия правильного решения требуется не только знать абсолютное значение измеренной величины, но и понимать, насколько оно может отличаться от реального тока, протекающего в силовой цепи. Таким образом, оценка точности измерения тока ключами PROFET обоснованно входит в число вопросов, требующих самой тщательной проработки как на этапах проектирования, так и во время работы системы, ведь принятие ошибочного решения на основании неточных данных может привести к неприятным последствиям.

В статье выполнена оценка точности токоизмерительной системы микросхем PROFET, а также факторов, влияющих на ее величину. Кроме этого, предложены методы калибровки измерительной части, с помощью которых можно практически в два раза уменьшить ошибку, возникающую в процессе измерений.

Особенности измерительной системы ключей PROFET

Выход измерительной системы ключа PROFET связан с выводом IS микросхемы (рисунок 1). Поскольку ток вывода IS IIS формируется с помощь стабилизаторов тока, то для получения напряжения, пропорционального току нагрузки, между выводом IS и общим проводом необходимо подключить внешний резистор RSENSE.

Рис. 1. Структурная система ключей PROFET

Рис. 1. Структурная система ключей PROFET

Ток вывода IS может генерироваться одним из трех источников тока:

– источником, формирующим ток IL/kILIS при включенном MOSFET;
– источником, формирующим ток IIS(OLOFF) при выключенном MOSFET;
– источником, формирующим ток IIS(FAULT) в режиме блокировки.

Коммутация источников тока осуществляется с помощью мультиплексора MUX на основании сигналов управления, формируемых внутренним контроллером. Подключение вывода IS к источникам тока возможно только при наличии высокого уровня сигнала на выводе DEN. При подаче на вывод DEN сигнала низкого уровня вывод IS переводится в высокоимпедансное состояние. Такой алгоритм работы позволяет объединять выводы IS нескольких микросхем PROFET, тем самым, уменьшая число каналов АЦП, необходимое для контроля нагрузок – ведь количество коммутируемого оборудования, например, в бортовой сети автомобиля, может намного превышать количество аналоговых портов центрального процессора.

Столь гибкая система позволяет на основании контроля напряжения на выводе IIS определять:

– величину тока в цепи нагрузки;
– обрыв или короткое замыкание на шину питания в цепи нагрузки;
– короткое замыкание на общий провод в цепи нагрузки;
– факт блокировки ключа PROFET, например, в результате перегрузки по току или перегрева кристалла микросхемы.

Кроме этого, зная напряжение и ток в цепи питания, можно определить мощность, потребляемую коммутируемым оборудованием, что является одним из главных критериев его исправности.

Наиболее важным из трех источников тока является источник, формирующий ток, когда силовой MOSFET включен. Именно от его точности и зависит, в конечном итоге, точность измерительной системы в целом. Этот источник должен формировать ток IIS, отличающийся от тока нагрузки IL на некоторый коэффициент kILIS:

$$k_{ILIS}=\frac{I_{L}}{I_{IS}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В идеальном случае коэффициент передачи тока kILIS должен быть постоянным и не изменяться ни при каких условиях. Но, к сожалению, обеспечить это на практике технически невозможно, поэтому реальное значение коэффициента kILIS зависит от многих факторов, в числе которых величина напряжения питания и температура кристалла. Кроме этого, на величину kILIS оказывает влияние также технологический разброс характеристик внутренних компонентов микросхем PROFET.

Согласно эквивалентной схеме измерительной части ключа PROFET (рисунок 2), построенной на основе широко используемой модели полевого транзистора с отдельным токоизмерительным истоком (Current Sensing MOSFET – SenseFET), падение напряжения на основной VP и токоизмерительной VM частях канала силового MOSFET одинаково:

$$V_{M}=V_{P}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Рис. 2. Эквивалентная схема токоизмерительного канала ключей PROFET

Рис. 2. Эквивалентная схема токоизмерительного канала ключей PROFET

При известных сопротивлениях основной RP и токоизмерительной RM частей открытого канала MOSFET формулу (2) можно записать в виде:

$$I_{IS}\cdot R_{M}=I_{L}\cdot R_{P}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Таким образом, если не учитывать погрешность, вносимую операционным усилителем, то коэффициент передачи тока идеального ключа PROFET kILIS(ideal) можно определить по формуле (4):

$$\frac{N_{P}}{N_{M}}=\frac{R_{M}}{R_{P}}=\frac{I_{L}}{I_{IS}}=k_{ILIS(ideal)},\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где NP и NM – физические размеры, соответственно, основной и токоизмерительной частей канала MOSFET.

Поскольку операционный усилитель, используемый в измерительном канале ключа PROFET, является неидеальным и обладает некоторым ненулевым напряжением смещения Voffset, то формула (2) примет вид:

$$V_{M}\pm V_{offset}=V_{P}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Выполняя преобразования, аналогичные сделанным выше, получим формулу, позволяющую определить коэффициент передачи тока реального ключа PROFET kILIS(real):

$$I_{IS}\cdot R_{M}\pm V_{offset}=I_{L}\cdot R_{P}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

$$\frac{1}{I_{L}\cdot R_{P}\pm V_{offset}}=\frac{1}{I_{IS}\cdot R_{M}}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

$$\frac{I_{L}\cdot R_{M}}{I_{L}\cdot R_{P}\pm V_{offset}}=\frac{I_{L}}{I_{IS}}=k_{ILIS(real)}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Выполнив несколько дополнительных математических преобразований, можно получить соотношение, связывающее реальный коэффициент передачи датчика тока kILIS(real) с его идеальным значением kILIS(ideal):

$$k_{ILIS(real)}=\frac{I_{L}\cdot R_{M}}{I_{L}\cdot \left(R_{P}\pm \frac{V_{offset}}{I_{L}} \right)}=\frac{R_{M}}{R_{P}}\cdot \frac{1}{1\pm \frac{V_{offset}}{R_{P}\cdot I_{L}}}\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

$$k_{ILIS(real)}=k_{ILIS(ideal)}\cdot \frac{1}{1\pm \frac{V_{offset}}{R_{P}\cdot I_{L}}}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

Неидеальность операционного усилителя приводит к появлению ошибок в результатах измерений, нелинейно зависящих от величины измеряемого тока (рисунок 3). В идеальном случае (синяя кривая) коэффициент передачи токоизмерительной цепи не изменяется во всем диапазоне тока нагрузки. Однако наличие напряжения смещения Voffset приводит к изменению коэффициента передачи (красные кривые), величина которого зависит, во-первых, от полярности Voffset, а во-вторых, нелинейно растет с уменьшением тока нагрузки.

Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи тока kILIS от тока нагрузки IL

Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи тока kILIS от тока нагрузки IL

Таким образом, наибольшая точность измерений обеспечивается при токах нагрузки, близких к максимальному значению. С уменьшением выходного тока точность измерений уменьшается, вплоть до того, что при малых значениях IL определить их величину с удовлетворительной точностью без применения дополнительных мер становится весьма затруднительно.

Для увеличения точности измерения малых токов в ключах PROFET применяется технология стабилизации падения напряжения на открытом канале силового MOSFET. Когда ток нагрузки IL уменьшается до уровня, при котором падение напряжения на открытом канале транзистора достигает величины VDS(SLC), заряд затвора силового MOSFET искусственно уменьшается до величины, при которой напряжение «сток-исток» VDS остается приблизительно равным VDS(SLC) (рисунок 4). Это позволяет уменьшить влияние напряжения смещения Voffset операционного усилителя и повысить точность измерения малых токов.

Рис. 4. Принцип повышения точности измерения малых токов за счет увеличения напряжения VDS

Рис. 4. Принцип повышения точности измерения малых токов за счет увеличения напряжения VDS

Особенности работы токоизмерительной системы при включенном MOSFET

Когда на управляющий вывод IN микросхемы PROFET подается сигнал высокого уровня, внутренний контроллер переводит силовой MOSFET в проводящее состояние, в результате чего на выводе OUT появляется напряжение, а в цепи нагрузки начинает протекать ток IL. В этом режиме токоизмерительный узел ключа PROFET будет формировать ток IIS, пропорциональный току нагрузки IL, только если будут одновременно выполняться следующие условия:

– напряжение между стоком и истоком силового MOSFET меньше максимально допустимого значения (VDS < VDS(OLOFF)) (когда ток нагрузки IL меньше номинального тока IL(NOM));
– напряжение на разрешающем выводе DEN имеет высокий уровень;
– микросхема не находится в режиме блокировки, например, из-за перегрузки по току или перегрева.

Если указанные условия выполняются, тогда ток IIS будет пропорционален току нагрузки IL и будет увеличиваться с ростом до IL до тех пор, пока не достигнет величины тока насыщения IIS(SAT).

Если ток IL меньше порога блокировки микросхемы IL(NOM) и при этом больше тока, соответствующего обрыву в цепи нагрузки IL(OL), то ток IIS будет удовлетворять неравенству IIS(EN) < IIS < IL(NOM)/kILIS (рисунок 5, незаштрихованная область). При дальнейшем уменьшении тока нагрузки (IL < IL(OL)) точность преобразования тока IL в ток IIS уменьшается, поэтому для микросхем PFOFET в этом режиме нормируется только величина максимального тока утечки вывода IS IIS(EN) (рисунок 5, заштрихованная область). В технической документации значения IIS(EN) обычно приводятся для двух температур кристалла: 85°С и 150°С.

Рис. 5. Зависимость тока IIS от тока нагрузки IL при включенном MOSFET

Рис. 5. Зависимость тока IIS от тока нагрузки IL при включенном MOSFET

При использовании ключей PROFET состоянием «нагрузка отключена» считается режим, в котором ток вывода IS становится меньше 4 мкА (IIS(OL) = 4 мкА). Если предположить, что к выводу IS подключен внешний резистор с сопротивлением RSENSE = 1,2 кОм, то в этом случае напряжение на выводе IS VSENSE будет равно 4,8 мВ. Это значение соответствует минимальному напряжению на входе АЦП, которое необходимо измерить с требуемой точностью. Меньшие значения напряжения VSENSE уже не будут нести достоверной информации о токе IL и должны интерпретироваться как отключение нагрузки.

Реальное значение тока нагрузки IL(OL) при токе вывода IIS(OL) = 4 мкА зависит от параметров конкретной микросхемы и может находиться в диапазоне IL(OL)MIN…IL(OL)MAX (рисунок 5). Пределы IL(OL)MIN и IL(OL)MAX приводятся в технической документации на микросхему, а при необходимости точное значение тока IL(OL) может быть определено экспериментально.

Для уменьшения влияния помех и предотвращения ошибочных блокировок на уровне системы между выводом IS и входом АЦП центрального процессора рекомендуется установить RC-фильтр нижних частот с постоянной времени не менее 1 мкс.

Если в рабочем режиме – когда силовой MOSFET включен – ток нагрузки IL превысит максимально допустимое значение IL(NOM) или температура кристалла достигнет опасных значений, микросхема перейдет в состояние блокировки, и транзистор закроется, что приведет к прекращению подачи энергии на нагрузку. Если при этом на выводе DEN будет присутствовать сигнал с уровнем логической единицы, удерживающий измерительную систему в активном состоянии, то внутренний мультиплексор MUX автоматически подключит вывод IS к источнику тока IIS(FAULT). Взаимное соотношение токов IIS = IL/kILIS, IIS(SAT) и IIS(FAULT) с учетом технологического разброса их значений показано на рисунке 6.

Рис. 6. Соотношения между токами IIS = IL/kILIS, IIS(SAT) и IIS(FAULT)

Рис. 6. Соотношения между токами IIS = IL/kILIS, IIS(SAT) и IIS(FAULT)

Особенности работы токоизмерительной системы при выключенном MOSFET

При подаче на вывод IN сигнала низкого уровня сопротивление канала силового MOSFET значительно увеличивается, в результате чего ток нагрузки IL уменьшается практически до нуля. Однако если на выводе DEN будет присутствовать сигнал с высоким логическим уровнем, то измерительная система ключа PROFET останется в активном состоянии, что позволит оценить состояние подключенной нагрузки.

Это производится путем измерения напряжения между стоком и истоком выключенного MOSFET VDS. При обрыве в цепи нагрузки или коротком замыкании линии, подключенной к выводу OUT, на положительную шину питания напряжение VDS будет небольшим. Если напряжение VDS будет меньше порогового значения VDS(OLOFF), то внутренний источник тока сформирует ток вывода IS, равный IIS(OLOFF) (рисунок 7), в противном случае ток IIS будет равен нулю.

Рис. 7. Зависимость тока IIS от напряжения VDS при выключенном MOSFET

Рис. 7. Зависимость тока IIS от напряжения VDS при выключенном MOSFET

Активизация источника тока IIS(OLOFF) произойдет спустя некоторое время tIS(OLOFF), отсчитываемое с момента установки на входе IN низкого логического уровня. До момента tIS(OLOFF) диагностическая система блокируется, и ток IIS будет равен нулю независимо от величины напряжения VDS. Такой алгоритм работы уменьшает вероятность ложных блокировок системы, которые могут произойти в результате переходных процессов, возникающих в цепях питания в процессе коммутации, например, в результате протекания в цепи нагрузки обратного тока, при котором напряжение VDS будет отрицательным.

Описанный выше алгоритм работы будет применен только в случае, если ключ PROFET в момент установки низкого уровня на входе IN находился в незаблокированном состоянии. Если микросхема была заблокирована, например, из-за перегрева или перегрузки по току, то контроллер микросхемы будет удерживать мультиплексор MUX в состоянии, связывающим вывод IS с источником тока IIS(FAULT). Поскольку ток IIS(FAULT) значительно превышает ток IIS(OLOFF) (рисунок 7), то никаких технических сложностей при определении состояния нагрузки при выключенном MOSFET возникнуть не должно.

Оценка точности измерительной системы 

Ток нагрузки IL и ток вывода IS IIS связаны между собой формулой (1), которую, для упрощения понимания дальнейших преобразований лучше записать в следующей форме:

$$I_{IS}=\frac{1}{k_{ILIS}}\cdot I_{L}\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Уравнение (11) является частным случаем линейной функции, описываемой уравнением (12):

$$y=m\cdot x+b,\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

где х, y – соответственно, независимая и зависимая переменные; m и b – параметры, определяющие, соответственно, угол наклона и смещение графика относительно начала координат.

Сравнивая формулы (11) и (12), можно заметить, что ток нагрузки IL соответствует независимой переменной x, ток IIS – зависимой переменной y, коэффициент передачи тока kILIS определяет наклон линии, а параметр b, отвечающий за смещение линии по вертикали, равен нулю.

Таким образом, в идеальном случае зависимость тока IIS от тока IL должна быть прямой линией, проходящей через начало координат под некоторым углом, зависящим от коэффициента передачи тока kILIS­ (рисунок 8а). Однако на практике из-за неидеальности компонентов и технологического разброса характеристики микросхем эта зависимость может иметь отличия. Например, реальное значение коэффициента передачи тока kILIS зависит от конкретного экземпляра микросхемы, что приводит к изменению угла наклона линии (рисунок 8б), а наличие у операционного усилителя напряжения смещения Voffset приводит к смещениям по вертикальной оси (рисунок 8в).

Рис. 8. Зависимость тока IIS от тока нагрузки IL при различных отклонениях в измерительном тракте

Рис. 8. Зависимость тока IIS от тока нагрузки IL при различных отклонениях в измерительном тракте

В конечном итоге это приводит к появлению неточности при измерении токов нагрузки как в диапазоне малых (из-за наличия напряжения смещения Voffset), так и больших (из-за отклонения  kILIS) значений. Например, при положительных значениях напряжения смещения Voffset ток IIS всегда будет иметь ненулевое значение, даже при отсутствии тока нагрузки IL, а при отрицательных значениях ток IIS станет равным нулю начиная с некоторого ненулевого значения тока IL (в последнем случае, теоретически, при IL = 0 ток IIS должен быть отрицательным).

В реальной микросхеме присутствуют одновременно оба искажающих фактора – и отклонение коэффициента передачи тока kILIS, и напряжение смещения Voffset. Оценим величину ошибки при измерении тока для случая, когда напряжение смещения операционного усилителя Voffset равно нулю.

При отсутствии напряжения смещения Voffset зависимость выходного тока IIS от тока нагрузки IL описывается уравнением прямой линии, проходящей через начало координат с наклоном, определяемым некоторым коэффициентом пропорциональности m. Для среднестатистической микросхемы наклон зависимости будет определяться типовым коэффициентом mTYP, что позволяет записать уравнение (12) в виде:

$$y=m_{TYP}\cdot x\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Технологический разброс характеристик приводит к отклонениям коэффициента пропорциональности m в некотором диапазоне mMIN… mMAX, что, в свою очередь, приводит к появлению двух дополнительных линий, ограничивающих область возможных значений результатов измерений:

$$y=m_{MAX}\cdot x\qquad{\mathrm{(}}{14}{\mathrm{)}}$$

$$y=m_{MIN}\cdot x\qquad{\mathrm{(}}{15}{\mathrm{)}}$$

Таким образом, одному и тому же значению y может соответствовать несколько значений x, находящихся в диапазоне xMIN…xMAX (рисунок 9). Минимальное MinAbsErr и максимальное MaxAbsErr значения абсолютной ошибки, вызванной отклонением коэффициента m от типового значения mtyp, в этом случае будут равны:

$$MinAbsErr=x_{MIN}-x=\frac{y}{m_{MAX}}-x=\left(\frac{m_{TYP}}{m_{MAX}}-1 \right)\cdot x\qquad{\mathrm{(}}{16}{\mathrm{)}}$$

$$MaxAbsErr=x_{MAX}-x=\frac{y}{m_{MIN}}-x=\left(\frac{m_{TYP}}{m_{MIN}}-1 \right)\cdot x\qquad{\mathrm{(}}{17}{\mathrm{)}}$$

Рис. 9. Определение минимального и максимального значений абсолютной ошибки

Рис. 9. Определение минимального и максимального значений абсолютной ошибки

Нормализация формул (16) и (17) позволяет получить соотношения для определения минимального MinRelErr и максимального MaxRelErr значений относительной ошибки:

$$MinRelErr=\frac{x_{MIN}-x}{x}=\frac{y}{m_{MAX}\cdot x}-1=\frac{m_{TYP}}{m_{MAX}}-1\qquad{\mathrm{(}}{18}{\mathrm{)}}$$

$$MaxRelErr=\frac{x_{MAX}-x}{x}=\frac{y}{m_{MIN}\cdot x}-1=\frac{m_{TYP}}{m_{MIN}}-1\qquad{\mathrm{(}}{19}{\mathrm{)}}$$

Типовые значения коэффициента передачи тока kILIS для разных токов нагрузок приводятся в технической документации на микросхемы PROFET. Вместе с этими параметрами приводятся также и величины отклонений этого параметра, что позволяет построить зависимости, аналогичные зависимостям, показанным на рисунке (рисунок 9), для конкретной микросхемы. При этом для упрощения считается, что при малых токах – когда ток нагрузки меньше тока обрыва в цепи питания (IL < IL(OL)) – зависимость тока IIS от IL остается линейной.

Например, для микросхем BTS7004-1EPP типовые значения коэффициентов передачи kILIS для токов от 200 мА до 20 А приведены в таблицах «Electrical Characteristics: Diagnosis – x mΩ» раздела «Diagnosis Power Output Stage – x mΩ» технической документации (силовые MOSFET разных каналов ключей PROFET могут иметь разное сопротивление в открытом состоянии, из-за чего в технической документации может быть несколько разделов с электрическими характеристиками).

Это позволяет определить значения mTYP, mMIN и mMAX по формулам (20)…(22):

$$m_{TYP}=\frac{1}{k_{ILIS,\:TYP}}\qquad{\mathrm{(}}{20}{\mathrm{)}}$$

$$m_{MAX}=\frac{1}{k_{ILIS,\:MIN}}\qquad{\mathrm{(}}{21}{\mathrm{)}}$$

$$m_{MIN}=\frac{1}{k_{ILIS,\:MAX}}\qquad{\mathrm{(}}{22}{\mathrm{)}}$$

В этом случае упрощенные зависимости выходного тока IIS от тока нагрузки IL будут иметь вид, показанный на рисунке 10.

Рис. 10. Упрощенная зависимость тока IIS от тока нагрузки IL

Рис. 10. Упрощенная зависимость тока IIS от тока нагрузки IL

Подставив значения, полученные по формулам (20)…(22), в формулы (16)…(19), получим соотношения, позволяющие определить минимальные и максимальные значения абсолютной и относительной погрешностей:

$$MinAbsErr=\left(\frac{m_{TYP}}{m_{MAX}}-1 \right)\cdot I_{L}\qquad{\mathrm{(}}{23}{\mathrm{)}}$$

$$MaxAbsErr=\left(\frac{m_{TYP}}{m_{MIN}}-1 \right)\cdot I_{L}\qquad{\mathrm{(}}{24}{\mathrm{)}}$$

$$MaxRelErr=\frac{m_{TYP}}{m_{MIN}}-1\qquad{\mathrm{(}}{25}{\mathrm{)}}$$

$$MinRelErr=\frac{m_{TYP}}{m_{MAX}}-1\qquad{\mathrm{(}}{26}{\mathrm{)}}$$

Результаты расчетов абсолютной и относительной погрешностей (таблица 1) показывают, что максимальная точность измерения тока у ключей PFOFET будет при больших токах нагрузки. Например, для микросхем BTS7004-1EPP при токе IL = 15 A относительная ошибка измерения тока равна 8%, в то время как при токе IL = 200 мA она увеличивается до 65%. Следует отметить, что эти значения зависят только от характеристик микросхемы, и их можно определить на основании информации, присутствующей в технической документации.

Таблица 1.  Результаты расчета абсолютной и относительной ошибки для микросхемы BTS7004-1EPP при разных токах нагрузки

IL, А Максимальная абсолютная ошибка, А Максимальная относительная ошибка, % Минимальная абсолютная ошибка, А Минимальная относительная ошибка, %
0,05 0,03 65 -0,03 -65
0,2 0,13 65 -0,13 -65
0,45 0,25 55 -0,25 -55
2 0,80 40 -0,80 -40
5,5 1,32 24 -1,32 -24
10 0,80 8 -0,80 -8
15 1,20 8 -1,20 -8

Результаты тестирования реальной микросхемы, выполненные при температуре кристалла TJ = 25⁰С и напряжении питания VS = 13,5 B (рисунок 11), показывают, что при токах нагрузки 0,45…6,5 А отклонение коэффициента передачи тока kILIS не превышает значений, указанных в технической документации.

Рис. 11. Результаты измерений коэффициента передачи тока kILIS при разных токах нагрузки IL

Рис. 11. Результаты измерений коэффициента передачи тока kILIS при разных токах нагрузки IL

Более того, эта тенденция сохраняется даже когда ток нагрузки выходит за пределы номинальных значений. Результаты измерений выходного тока IIS, выполненные при температуре кристалла TJ = 25⁰С и напряжении питания VS = 13,5 B (рисунок 12), показывают что даже когда ток нагрузки IL превышает номинальное значение, выходной ток IIS будет формироваться с тем же коэффициентом передачи до тех пор, пока выходной источник тока не войдет в режим насыщения и ток вывода IS не стабилизируется на уровне IIS(SAT).

Рис. 12. Зависимость выходного тока IIS от тока нагрузки IL при больших токах нагрузки

Рис. 12. Зависимость выходного тока IIS от тока нагрузки IL при больших токах нагрузки

Таким образом, даже без применения специальных мер – с точностью «по умолчанию» – микросхемы PFOFET обеспечивают достаточно высокую точность измерения тока, а их характеристики соответствуют параметрам, указанным в технической документации.

Особенности калибровки микросхем PFOFET 

В случае, когда точность «по умолчанию» измерения тока ключами PFOFET недостаточна для практического применения, ее можно улучшить, проведя калибровку микросхемы. Самым простым методом увеличения точности измерений является калибровка по одной точке (1-Point Calibration), целью которой является определение реальных значений коэффициентов m, определяющих наклон зависимостей тока IIS от тока нагрузки IL и, соответственно, уменьшение величины ошибки, возникающей во время измерений (рисунок 13).

Рис. 13. Пример уточнения коэффициента передачи тока kILIS для трех микросхем BTS7004-1EPP

Рис. 13. Пример уточнения коэффициента передачи тока kILIS для трех микросхем BTS7004-1EPP

Если линейная функция проходит через начало координат (b = 0), то в общем случае для определения коэффициента пропорциональности m необходимо проделать следующие действия:

  1. установить некоторое значение аргумента х1;
  2. измерить значение y1 при фиксированном значении x1;
  3. определить коэффициент пропорциональности m по формуле:

$$m=\frac{y_{1}}{x_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{27}{\mathrm{)}}$$

В реальном случае, для определения параметров зависимости тока IIS от тока нагрузки IL требуется выполнить следующие действия:

  1. установить некоторый ток нагрузки IL.;
  2. поддерживая ток IL на заданном уровне, измерить ток IIS(IL).;
  3. определить коэффициент mCAL по формуле (28):

$$m_{CAL}=\frac{I_{IS(IL)}}{I_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{28}{\mathrm{)}}$$

После этого через начало координат и точку (IL, IIS(IL)) можно построить зависимость тока IIS от тока нагрузки IL (рисунок 14).

Рис. 14. Принцип калибровки по одной точке

Рис. 14. Принцип калибровки по одной точке

Для оценки реальной точности микросхем PROFET необходимо учесть уровень отклонений коэффициента передачи тока kILIS. Из-за того, что при малых токах нагрузки ключи PROFET переходят в режим стабилизации напряжения между стоком и истоком силового MOSFET, отклонение kILIS при малых и больших токах нагрузки IL будут разными. В технической документации на микросхемы PROFET приводятся значения максимального отклонения коэффициента передачи тока в области номинального тока ΔkILIS(NOM) и вблизи порога определения обрыва в цепи нагрузки ΔkILIS(OL).

Для оценки абсолютной и относительной ошибки при измерении тока нагрузки можно воспользоваться соотношениями (23)…(26), заменив коэффициент mTYP на mCAL. При этом коэффициенты mMIN и mMAX следует определить по формулам (29) и (30), в которых в качестве ΔkILIS необходимо использовать значения ΔkILIS(OL) и ΔkILIS(NOM), указанные в технической документации на микросхему для, соответственно, областей малых и номинальных токов:

$$m_{MIN}=\frac{m_{CAL}}{1+max(\Delta k_{ILIS})}\qquad{\mathrm{(}}{29}{\mathrm{)}}$$

$$m_{MAX}=\frac{m_{CAL}}{1-min(\Delta k_{ILIS})}\qquad{\mathrm{(}}{30}{\mathrm{)}}$$

Для микросхем BTS7004-1EPP малыми токами нагрузки считаются токи 50…450 мА, а номинальными – 5,5…15 А. Проведя калибровку приблизительно в середине этих областей, можно определить значения абсолютной и относительной ошибки в этих диапазонах (рисунок 15).

Рис. 15. Определение ошибки в области малых (а) и номинальных (б) токов нагрузки

Рис. 15. Определение ошибки в области малых (а) и номинальных (б) токов нагрузки

Результаты расчетов абсолютной и относительной ошибки при измерении малых токов нагрузки (при IL = 0,2 А) приведены в таблице 2, а в области номинальных (при IL = 10 А) – в таблице 3. Сравнивая эти данные с аналогичными характеристиками, рассчитанными для микросхем, не проходивших процедуру уточнения параметров (таблица 1), можно сделать вывод, что после калибровки ошибка при измерении тока нагрузки уменьшается практически в два раза как в режиме малых, так и в режиме номинальных токов. При этом общая тенденция – увеличение точности измерений с ростом тока нагрузки – остается неизменной.

Таблица 2.  Результаты расчета абсолютной и относительной ошибки для микросхемы BTS7004-1EPP в режиме малых токов после выполнения калибровки

IL, А Максимальная абсолютная ошибка, А Максимальная относительная ошибка, % Минимальная абсолютная ошибка, А Минимальная относительная ошибка, %
0,05 -0,015 -30 0,015 30
0,2 -0,06 -30 0,06 30
0,45 -0,35 -30 0,35 30

Таблица 3.  Результаты расчета абсолютной и относительной ошибки для микросхемы BTS7004-1EPP в режиме номинальных токов после выполнения калибровки

IL, А Максимальная абсолютная ошибка, А Максимальная относительная ошибка, % Минимальная абсолютная ошибка, А Минимальная относительная ошибка, %
5,5 0,22 4 -0,22 -4
10 0,4 4 -0,4 -4
15 0,6 4 -0,6 -4

Порядок измерения тока нагрузки с помощью ключей PROFET

Упрощенная схема включения одноканального ключа PROFET показана на рисунке (рисунок 16). Контроль тока нагрузки производится центральным процессором, для чего вход его АЦП через помехоподавляющий RC-фильтр нижних частот RADCCSENSE подключается к токоизмерительному резистору RSENSE.

Рис. 16. Типовая схема включения одноканального ключа PROFET

Рис. 16. Типовая схема включения одноканального ключа PROFET

АЦП измеряет напряжение на выводе IS VIS, величина которого определяется по формуле (31):

$$V_{IS}=R_{SENSE}\cdot I_{IS}\qquad{\mathrm{(}}{31}{\mathrm{)}}$$

После оцифровки напряжения VIS центральный процессор может рассчитать ток нагрузки IL по формуле (32):

$$I_{L}=k_{ILIS,\:TYP}\cdot I_{IS}=k_{ILIS,\:TYP} \cdot \frac{V_{IS}}{R_{SENSE}},\qquad{\mathrm{(}}{32}{\mathrm{)}}$$

где kILIS,TYP – типовое значение коэффициента передачи тока, указанное в технической документации на микросхему для данного тока нагрузки IL.

Если ключ PROFET был предварительно откалиброван, тогда ток нагрузки следует рассчитывать на основании результатов измерений напряжения VIS, присутствовавшего при эталонном значении тока нагрузки IL. В этом случае вместо формулы (32) следует использовать формулу (33):

$$I_{L}=k_{ILIS,\:CAL}\cdot I_{IS}\left(I_{L} \right)=k_{ILIS,\:CAL} \cdot \frac{V_{IS}(I_{L})}{R_{SENSE}},\qquad{\mathrm{(}}{33}{\mathrm{)}}$$

где kILIS,CAL – реальный коэффициент передачи тока, определенный в процессе калибровки.

Если высокая точность измерения тока не требуется, тогда ключи PROFET можно использовать без прохождения процедуры калибровки. Такой алгоритм использования является простым и не требует дополнительных производственных операций, что ускоряет процесс сборки и настройки готового изделия. Кроме этого, поскольку коэффициент kILIS,TYP берется из технической документации и не может быть изменен в процессе эксплуатации устройства, для его хранения не требуется дополнительных ячеек энергонезависимой памяти – в простейшем случае он в виде константы может храниться непосредственно в исходном коде программного обеспечения центрального процессора.

В этом случае алгоритм работы с ключами PFOFET является максимально простым (рисунок 17), поскольку после сборки устройства ключ PROFET полностью готов к работе. Единственным условием, которое должно быть реализовано в программном обеспечении, является обеспечение требуемой задержки tsIS(DIAG) между включением силового MOSFET (установкой высокого уровня на выводе IN) и первым измерением напряжения на выводе IS, необходимой для завершения переходных процессов.

Рис. 17. Алгоритм использования ключей PROFET без прохождения процедуры калибровки

Рис. 17. Алгоритм использования ключей PROFET без прохождения процедуры калибровки

Длительность задержки tsIS(DIAG) является постоянной величиной и может быть рассчитана на основании данных их технической документации по формуле (34):

$$t_{sIS(DIAG)}\leq 3\cdot (t_{ON\_MAX}+t_{sIS(ON)\_MAX}),\qquad{\mathrm{(}}{34}{\mathrm{)}}$$

где tON_MAX – максимальное время включения силового MOSFET, а tsIS(ON)_MAX – максимальное время установки тока вывода IS после стабилизации тока нагрузки.

После завершения задержки tsIS(DIAG) центральный процессор может измерять напряжение на выводе IS с требуемой периодичностью и рассчитывать величину тока нагрузки по формуле (32). И только после этого, сравнивая полученный результат с пороговыми значениями, которые можно как брать из технической документации, так и устанавливать самостоятельно в зависимости от конкретной задачи, центральный процессор может определить состояние подключенной нагрузки (нормальный режим работы, короткое замыкание, обрыв и т.п.).

Для приложений, требующих более точного определения тока нагрузки, необходимо вначале откалибровать каждую из используемых микросхем (для многоканальных ключей PROFET необходимо калибровать каждый канал). Процедура калибровки проводится, как правило, при температуре окружающей среды 25⁰С. Для этого каждый ключ PROFET подключается к эталонной нагрузке с известным током потребления (рисунок 18). Включив силовой MOSFET и выждав время tsIS(DIAG), требуемое для завершения переходных процессов, необходимо измерить напряжение на выводе IS, рассчитать реальное значение коэффициента передачи тока и сохранить его в энергонезависимой памяти. Дальнейший алгоритм работы с ключом PROFET ничем не отличается от описанного выше (рисунок 17), за исключением того, что ток нагрузки рассчитывается по формуле (33), в которой коэффициент kILIS,CAL является не константой, а переменной, хранимой в энергонезависимой памяти.

Рис. 18. Алгоритм процедуры калибровки

Рис. 18. Алгоритм процедуры калибровки

При проектировании систем питания на основе ключей PROFET важно не забывать, что реальная точность измерения тока нагрузки зависит не только от точности этих микросхем, но и от точности и стабильности параметров всех элементов, имеющих отношение к измерительной системе, в том числе токоизмерительного резистора, АЦП и эталонной нагрузки.

Заключение

Интеллектуальные силовые ключи PROFET позволяют проводить полную диагностику подключенного оборудования, в том числе и определять уровень потребляемого тока, а также наличие обрывов и коротких замыканий в коммутируемых цепях. Наличие этих функций открывает совершенно новые возможности для построения систем электропитания, которые на традиционной элементной базе реализовать очень сложно и дорого. Однако, как и в случае с другими высокотехнологичными продуктами, использование ключей PROFET требует четкого понимания особенностей всех процессов, происходящих в системе.

Как видно из данной статьи, ключи PFOFET могут измерять ток нагрузки с разной точностью, зависящей как от абсолютной величины потребляемого тока, так и от технологии производства конечной продукции, в частности – от наличия или отсутствия этапа калибровки микросхем PFOFET в процессе сборки готового устройства. Знание этих особенностей позволит разработчику не только избежать досадных ошибок при использовании ключей PROFET, но и четко определить границы возможностей этих микросхем, что, в конечном итоге, позволит выбирать приборы, наилучшим образом подходящие для реализации поставленного технического задания.

Оригинал статьи

                                   Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
BTS700121ESPXUMA1 (INFIN)
BTS700151ESPXUMA1 (INFIN)
BTS700201ESPXUMA1 (INFIN)
BTS70021EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70041EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70041EPZXUMA1 (INFIN)
BTS70061EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70061EPZXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPPXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPZXUMA1 (INFIN)
BTS70082EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70082EPZXUMA1 (INFIN)