• Betriebsströme mit extremer Bereichsdynamik durch Autoranging-Messtechnik erfassen

    Betriebsströme mit extremer Bereichsdynamik durch Autoranging-Messtechnik erfassen

Betriebsströme mit extremer Bereichsdynamik durch Autoranging-Messtechnik erfassen

50 nA bis 50A lückenlos und hochaufgelöst messen

Bei Entwicklung und Test von Geräten und Komponenten mit DC oder Batterieversorgung ist die Untersuchung und Kontrolle von Betriebsströmen ein ganz wichtiges Thema. Geht es darum, die von intelligentem Power-Management und ausgefeilten Sleep-Modi bestimmten Betriebszustände und deren Übergänge zu vermessen, ist man mit einer extremen Bereichsdynamik konfrontiert, die konventionelle Messtechnik schnell an ihre Grenzen bringt. Ganz neue Möglichkeiten können hier Auto-Ranging Ansätze eröffnen, die jedoch bei der Strommessung besondere Herausforderungen stellen. imc Meßsysteme realisiert ein solches Verfahren und setzt es bei einem Messmodul ein, welches Messdaten über CAN-Bus liefert, für den Einsatz in Labor und Prüfständen.

Auto-Ranging als dynamische Messbereichs-Anpassung

Die in der Messtechnik auf breiter Front durchgesetzte Technologie hochauflösender ADCs ermöglicht es bereits mit einer festen Dimensionierung, beachtliche Dynamikbereiche abzudecken. Trotzdem umfassen Sensoren, Signale und die zu untersuchenden physikalischen Prozesse oft so breite Spannen, dass zusätzlich eine angepasste Bereichswahl (z.B. Vorverstärkung) nötig ist, um die Technologie sinnvoll auszuschöpfen.

Während klassischerweise der Bereich vor der Messung fest konfiguriert wird, erlauben Auto-Ranging Verfahren eine dynamische Anpassung während der laufenden Messung. Das ist sinnvoll, wenn man den erwarteten Verlauf nicht kennt oder der Test den gesamten Dynamikbereich abdeckt und auch lückenlos erfassen soll.

Will man Bereichsdynamik erreichen, die über die ADC-Auflösung (von z.B. 24 Bit) noch weit hinausgeht, so kann man zumindest bei Spannungsmessung dynamisch die Vorverstärkung erhöhen. Bei Strommessung an einem Messwiderstand (Shunt) ist die Aufgabe dagegen anspruchsvoller: hier ist es erforderlich, während der laufenden Messung den Shunt anzupassen – und zwar ohne dabei den Mess-Stromkreis zu unterbrechen und die kontinuierliche Messung im Übergangsbereich zu beeinträchtigen.

Ein typisches Anwendungs-Szenario ist etwa eine einzige durchlaufende Testmessung die einen kompletten Power-Up Zyklus analysiert: Von winzigen Leckströmen im Sleep-Modus, über Surge und Inrush beim Aufstarten, bis hin zu Hochleistungs-Arbeitsbereichen – und wieder zurück. Dabei muss die Messtechnik rückwirkungsfrei sein. Sie darf also das Testobjekt nicht beeinflussen und soll in allen Arbeitsbereichen optimale Messauflösung und Genauigkeit liefern. Großen Bedarf gibt es dafür natürlich im Automotive Bereich, etwa in einem Testfeld, das eine Vielzahl von Komponenten und Steuergeräte aus einem Fahrzeug verschaltet und deren komplexes Zusammenspiel im Bordnetz untersucht. Doch auch Entwicklung und Test von Mobilgeräten mit Batterie und Funktechnik bis hin zum Energy Harvesting sind mit ähnlichen Aufgabenstellungen konfrontiert.

Was kann Strommessung mit Auto-Ranging leisten?

Wo?

  • Extreme Bereichsdynamik (Full-Power vs. Sleep-Mode)
  • Power-Up Tests von Komponenten und Systemen
  • Abgegrenzte Arbeitsbereiche / Arbeitspunkte
  • Weniger sinnvoll bei periodischen Signalen

Wie?

  • Dynamische Bereichsanpassung während der laufenden Messung
  • Lückenlose Messerfassung
  • Keine Unterbrechung des Stromkreises (Rückwirkungsfrei)

Strom-Messung als besondere Herausforderung:

Bei der Strommessung mittels Messwiderstands (Shunt) stellt die Wahl des Shunts eine zentrale Entscheidung und auch Limitierung dar. Während er groß genug ausfallen muss, um signifikante Spannungssignale zu liefern, welche nicht in Rauschen und Störgrößen untergehen, setzt die mit dem Arbeitsstrom quadratisch zunehmende Verlustleistung harte Grenzen. Für einen angestrebten max. Arbeitsstrom (Messbereich) von 50A kann der Shunt etwa nicht größer als 2 mΩ gewählt werden, da er dann bereits 5W umsetzt – das Limit für ein noch handliches Gerät. An diesem oberen Arbeitspunkt liefert er dann „magere“ 100mV, die aber noch gut beherrschbar sind und nach adäquater Vorverstärkung etwa von einem 1 V ADC mit 24 Bit sauber verarbeitet werden können. Will man jedoch mit dieser Konfiguration gleichzeitig eine Messauflösung von z.B. 50 nA anstreben, etwa um Leckströme zu messen, so wird schnell klar, dass hier die Grenzen der Physik klar überschritten werden. Pegel von  2mΩ * 50nA = 0.1 nV haben definitiv keine Chance, sich gegenüber Rauschen, parasitären Thermospannungen etc. durchzusetzen, selbst wenn man sie mit einer zusätzlichen Verstärkung von z.B. Faktor 1000 auf 0.1 µV „aufblasen“ würde (Bild 1a). Diese „Vorverstärkung“ muss also aus dem Shunt selbst generiert werden.

Das kann durch einen zweiten seriellen Shunt realisiert werden, wie in Bild 1b gezeigt: Dieser ist mit 2 Ω um einen Faktor 1000 hochohmiger („Shunt-Verstärkung“), aber nur bei kleinen Strömen aktiv. Sobald höhere Arbeitsströme ihn überlasten könnten, lässt er sich dynamisch mit einem „Bypass“ überbrücken.

Bild 1a: Grenzen der Spannungsverstärkung
Bild 1a: Grenzen der Spannungsverstärkung
Bild 1b: echte Shunt-Umschaltung
Bild 1b: echte Shunt-Umschaltung

Bild 1c skizziert, wie sich mit dieser Kombination dann eine Gesamt-Bereichsdynamik von ca. 30 Bit erreichen lässt, also ein Verhältnis von max. Messbereich zu min. Auflösung von 1: 1 Mrd.(10^9).

Arbeitsbereiche und Bereichsdynamik
Bild 1c: Arbeitsbereiche und Bereichsdynamik

Damit ist das Grundprinzip bereits umrissen:

 Das Herz des Messmoduls von imc bildet der Messstrom-Pfad, in dem ein für den Maximalstrom ausgelegter niederohmiger 2mΩ Shunt stets aktiv ist. Ein zweiter hochohmiger 2 Ω Shunt in Serie kann auch kleinste Ströme noch sauber erfassen, wird jedoch mittels schneller Schalter dynamisch überbrückt, sobald der aktuelle Arbeitsstrom eine Schwelle von ca. 100 mA überschreitet. Die Spannungen an beiden Shunts werden von einem 30 kSps ADC mit 24 Bit gemessen und von einem Prozessor korrekt selektiert, skaliert und kalibriert. Die Ausgabe erfolgt über den CAN-Bus mit wählbaren Datenraten zwischen 1 Hz und 1 kHz. Ausgangsgrößen sind neben Mittelwerten auch Min und Max –Werte über das gewählte Ausgabe-Intervall. Diese werden auf Basis der internen 30 kHz Datenrate ermittelt.

Umschalt-Dynamik:

Die Umschaltung des Shunts muss deutlich schneller reagieren, als es für die eigentliche Messung erforderlich ist: Schlagartig ansteigender Strom muss augenblicklich den hochohmigen Shunt kurzschließen, um nicht nur dessen Verglühen zu verhindern, sondern auch eine Bürdenspannungs-Spitze im Lastkreis zu vermeiden. Diese würde sonst als (auch nur kurzzeitiger) Spannungseinbruch im Lastkreis die zu testende Lastkomponente beeinflussen oder sogar „abklemmen“.

Daher wird das Zuschalten des Shunt-Bypass von einem schnellen Komparator gesteuert, ein erneutes aktivieren des hochohmigen Shunts aber nur verzögert zugelassen (siehe Bild 2). Die Kombination von Pegel-Hysterese der Umschaltschwelle mit der zeitlichen Hysterese des schnellen Aktivierens (< 1µs) und langsameren Deaktivierens (< 1 ms) des Bypass garantiert dabei sichere und stabile Zustandsübergänge.

Rückwirkungsfreiheit
Bild 2a: Rückwirkungsfreiheit
Bypass Steuerung
Bild 2b: Bypass Steuerung
statische und dynamische Hysterese
Bild 2c: statische und dynamische Hysterese

So gelingt es auch mit Stromanstiegen (Inrush, Surge) von 10A/µs eine nahezu rückwirkungsfreie Umschaltung zu realisieren, die dabei Spannungseinbrüche an der Last auf etwa 400 mV begrenzt. Dazu trägt eine passende Kapazität über dem Shunt bei, die im Übergangsbereich die Spannungstransienten bis zum Ansprechen des Komparators dämpft (siehe Bild 3). Somit ist das Konzept auch zum Messen an Testobjekten mit hochdynamischem Verhalten geeignet, wie Schaltreglern, LED-Treibern usw.

max. Spannungseinbruch an der Last bei Surge-Strömen
Bild 3: max. Spannungseinbruch an der Last bei Surge-Strömen

Die Hysterese-Totzeiten sowie auszublendende Einschwingzeiten der parallelen Messpfade (ADC) limitieren sinnvolle Messdaten-Ausgaberaten auf 100 Hz. Allerdings ist es auch möglich, in einem „Fix-Modus“ die Auto-Range Shunt-Umschaltung zu deaktivieren und dann eine max. Datenrate von 1 kHz zu nutzen.

Eine schnelle und natürlich reversible elektronische Sicherung auf MOSFET-Basis gewährleistet in jedem Fall die Sicherheit und trennt bei Überlast den Strompfad.

Universell einsetzbares CAN-Modul:

High Resolution Strom-Messmodul imc CANSAS-IHR
Bild 4: imc CANSAS-IHR

Dieses Auto-Ranging Konzept ist realisiert als universell verwendbares CAN-Bus Messmodul zum Einsatz in Labor und Prüfständen. Als imc CANSAS-IHR (Bild 4) vereint es in einem robusten Alu-Profilgehäuse zwei unabhängige, galvanisch isolierte Messpfade zur Strommessung an Lasten, die mit bis zu 18V DC versorgt werden. Die Isolation erlaubt es dabei, die Messstelle an beliebiger Stelle zu platzieren: Hin- oder Rückleiter, Teil- oder Gesamtströme.

Neben der digitalen Signalverarbeitung und Steuerung ist das sorgfältige thermisches Design des Systems von besondere Bedeutung. Die enormen Ströme sind im PCB Leiterkarten-Layout über die zu kühlenden Komponenten wie Anschlusstechnik, Leistungs-Shunt und FET-Schalter zu führen. Der Präzisions-Shunt ist dabei eine der kritischsten Komponenten: ein symmetrischer Wärmefluss muss sicherstellen, dass parasitäre Thermoelemente an Verbindungsstellen keine erhöhten Fehler und Driften verursachen und derlei Effekte der Eigenerwärmung minimieren.

High Resolution Strom-Messmodul imc CANSAS-IHR

  • Isolierte Strom-Messung mit Shunts
  • Messobjekte: Lasten an bis zu 18V DC
  • 2 Shunts mit dynamisch umgeschaltetem Strompfad (Bypass) bei hohem Stromfluss
  • Automatische und dynamische Bereichswahl : Auto-Ranging
  • Resultierende 30 Bit Bereichs-Dynamik: 50 nA – 50A
  • Erfassung und Ausgabe von Mittelwert sowie  Min/Max
  • Ausgabe wahlweise in Intervallen von 1 Hz / 10 Hz / 100 Hz, interne Verarbeitung / Erfassung mit 30 kHz
  • Datenrate mit statischem Messbereich (50A, ohne Auto-Ranging) bis zu 1 kHz

Wann ist Auto-Ranging sinnvoll?

Grundsätzlich sind Auto-Ranging Verfahren insbesondere in diesen hier beschriebenen Anwendungen hilfreich, wo es um abgegrenzte und nacheinander durchlaufende Arbeitsbereiche geht, in denen auch verweilt wird (Bild 5). Dann lässt sich tatsächlich nutzen, dass kleine Signale optimal und mit angepasster Verstärkung rauscharm aufbereitet werden und einen echten Gewinn an nutzbarer Messauflösung bringen.

Auto-Ranging ist allerdings kein Allheilmittel, das in beliebigen Messtechnik-Situationen notwendigerweise Vorteile bringt. Für periodische Signale etwa, die spektral mittels FFT analysiert werden, ist folgendes zu bedenken: Löst man den „inneren“ Teil des Signalbereichs, also den „feinen“ Messbereich kleine Amplituden, mit einer nachgeführten Verstärkung (z.B. g=1000) optimal auf, dann ist dieser rauscharme Bereich auch nur in einem vergleichbar kleinen Anteil der Gesamtzeit wirksam, nämlich 1/1000. Entsprechend verschwindend gering ist folglich Einfluss auf das Grundrauschen (Noise-Floor) der FFT, welches nach wie vor durch das Rauschniveau (SNR) des „groben“ Messbereichs dominiert wird!

Auch dass der „feine“ bzw. „gezoomte“ Bereich null-symmetrisch sein muss, ist eine essentielle Voraussetzung für Autoranging-Verfahren! Das erweitert aufzulösende Signal muss also um den Nullpunkt des uni- oder bipolaren Signalbereichs herum liegen, denn es geht hier nicht um AC-Kopplung, sondern um eine angepasste lineare Vorverstärkung. Während das für diese Form der Strommessung gegeben ist, gilt das in ganz anderen Anwendungen, wie etwa der Brückenmessung mit Dehnmessstreifen (DMS) gerade nicht: Dort ist das Signal nämlich typischerweise mit einem großen, zu kompensierenden Anfangsoffset behaftet.

Wann ist Auto-Ranging sinnvoll?
Bild 5: Wann ist Auto-Ranging sinnvoll?
Wann ist Auto-Ranging weinger sinnvoll?
Bild 6: Bsp. Auto-Ranging weniger sinnvoll

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