Hochintegrierte magnetoresistive stromsensoren in ... - Sensitec

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TRANSPORTPraxis▲ Abb. 2: U-förmiger Leiter eingebettet in die Leiterplatte▲ Abb. 3: Funktionsprinziptungen erzeugt wird. Der Primärstromfließt durch eine U-förmige Stromschieneund erzeugt einen Magnetfeldgradientenzwischen den beidenSeiten der Schiene (Abb. 2).Zur Strommessung sind vier AMR»Widerstände« zu einer Wheatstone-Brücke verbunden. Die Widerständeauf dem Silizium-Chip sind so platziert,dass sie einen Differenzfeld-Sensor bilden. Dies ist erforderlich,um auf diese Weise den Einfluss vonStörfeldern zu eliminieren. Kombiniertmit einer Auswerteschaltung(ASIC) wird der Chip auf einem Substratbestückt, das ein Hybrid-Schaltkreisoder ein Stanzgitter sein kann(Abb. 3).Ein Kompensationsleiter ist auf demChip integriert, mit dem ein Magnetfeldnahe an den Widerständen erzeugtwerden kann. Auf der gegenüberliegendenSeite des Substratswird der Primärstromleiter U-förmigunterhalb des MR-Sensorchips geführt.Die Geometrie des Primärleiters bestimmtden Messbereich des Stromsensors.Basierend auf dem Ausgangssignaldes MR-Chips erzeugt das ASIC(schematisch als Operationsverstärkerin Abb. 3 dargestellt) einen StromI comp im Kompensationsleiter, der dasMagnetfeld durch den Primärleiterin der Ebene des AMR Widerstandskompensiert. Mit dieserMethode erreicht das Signal einehohe Linearität (0,1 %) und ist weitgehendunabhängig von der Temperatur.Der Kompensationsstrom verhält sichdirekt proportional zum zu messendenPrimärstrom und wird zum Erzeugendes Ausgangssignals des Stromsensorsgenutzt.Aufgrund der Kompensation des Primärfeldes(»closed-loop« principle)entsteht ein extrem kompakter Sensor,der nahezu unempfindlich gegenüberhomogenen Störfeldern undTemperaturwechseln ist und zudemeinen niedrigen Stromverbrauch undhohe Effizienz bietet. Der AMR-basierteStromsensor weist praktisch keineHysterese auf, wie sie in EisenkernbasiertenHall-Sensorlösungen zu beobachtenist. Dank der hohen Empfindlichkeitdes AMR Sensorchipskann auf einen Flusskonzentrator verzichtetwerden.Der Sensor ist für hohe Genauigkeitund das schnelle elektronische Erfassenvon DC-Strömen bis zu 500 kHzausgelegt. Durch ihre Differenzfeldmessungenkönnen mit magnetoresistivenElementen Immunität gegenüberhomogenen Störfeldern erzieltwerden. Man benötigt keine magnetischeAbschirmung, wie sie bei Hall-Sensoren mit externer Stromschienenotwendig ist.Durch variierende Geometrien derexternen primären Stromschiene kannder CFS1000 an verschiedene Strombereicheund Anwendungen angepasstwerden. Das bedeutet, dass nurein Sensortyp für einen großen Anwendungsbereichbenötigt wird undStrombereiche von 10 bis mehreren1000 A abgedeckt werden (Abb. 4). DieSystemgenauigkeit kann durch Anpassungenan Offset und Empfindlichkeitfür die jeweilige Anwendung beim32 SENSOR MAGAZIN 3/2013
TRANSPORTPRAXISAnwendungen wurden ausgiebigeTests durchgeführt. Der Frequenzbereichder Stromsensoren (-3 dB Grenzfrequenz)liegt über 500 kHz. EineMinderung der Empfindlichkeit beiniedrigeren Frequenzen ist nicht vorhanden.Abb. 5 zeigt die Sprungantwort desStromsensors. Die Reaktionszeit liegtim Bereich von 600 ns, was einemaußergewöhnlichen Wert entspricht.Diese schnelle Reaktionszeit zeichnetsich besonders für die Leistungstransistorenbeim Auftreten von Kurzschlüssenaus.▲ Abb. 4: 3-Phasen Modul mit CFS1000 StromsensorKunden sowie durch Nutzung einerinternen oder externen Referenzspannungverbessert werden. Die einstellbareÜberstromerkennung ermöglichtggf. eine schnelle Reaktion, um Schädenan den Leistungstransistoren zuvermeiden. Eine detaillierte Beschreibungdes Funktionsprinzips und derVorteile des CFS1000 Stromsensorsfindet sich in [3] .LeistungstestsDie wichtigsten technischen Datendes CFS1000 Sensors sind in der Tabelleaufgelistet. Als Teil der AEC-Q100 Qualifizierung für automobileAnwendungsbeispielAngefangen bei POA (Power OptimisedAircraft) und More Open ElectricalTechnologies (MOET) Initiativenist die Europäische Union nun Fördererder »Cleansky Initiative«, bei derdas Ziel angestrebt wird hydraulischeund pneumatische Systeme durchelektrisch betriebene Antriebe mitUnterstützung der neuesten Sensortechnologiezu ersetzen bzw. zu verbessern.Der Fokus liegt dabei in der Elektrifizierungvon Hochauftriebs-Systemen,Fahrwerken und Kabinenklimatisie-▼ Technische Daten des CFS1000 StromsensorsParameter Min Typ Max EinheitVersorgungsspannung 4.75 5.00 5.25 VPrimärnennstrom (RMS) 1) 10 – 1000 APrimärmessbereich (abs) 2) 30 – 3000 ANennausgangsstrom (RMS) – 2 – mAObere Grenzfrequenz (-3 dB) – 500 – kHzGesamtgenauigkeit 3) (T=25 °C) – – ±1 %Gesamtgenauigkeit(T= -40 °C bis +125 °C)– – ±2 %Umgebungstemperatur -40 – +125 °C1) Der Strombereich wird durch die Geometrie des externen Primärleiters definiert.2) Beschränkt auf 1s in einem 60 s Intervall.3) Die Gesamtgenauigkeit beinhaltet Offset, Linearitäts- und Empfindlichkeitsfehler (εΣ=εG+εoff+εlin).SENSOR MAGAZIN 3/2013 33

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