30-A-Energieverbrauchsmessung mit wenig Verlusten

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Der Strommesswiderstand hinterleuchtet

Wenn man einen Leistungs- oder Energieüberwachungsbaustein in seine Schaltung hinein entwickelt, der einen Messwiderstand für sein Strommesselement verwendet, ist das Berechnen des erforderlichen Messwiderstands generell eine einfache Aufgabe. Man wendet das Ohmsche Gesetz an – d.h., man nimmt den Skalenendwert der Spannung und teilt ihn durch den Laststrom. Dann geht man auf die Webseite seines bevorzugten Elektronik-Distributors, um zu prüfen, welche realen Widerstandswerte verfügbar sind. Das ist einfach, bis man anfängt Ströme im zweistelligen Bereich zu messen.

Als Beispiel soll der weite Bereich an I²C-, Leistungs-, Ladungs- und Energieüberwachung des LTC2946 dienen, der einen Spannungsbereich von ungefähr 100 mV aufweist. Wenn der Baustein dazu benutzt wird, um einen Versorgungspegel von 30 A zu messen, ist ein 3,3-Ω-Messwiderstand notwendig. Dieser Messwiderstand ist zwar handelsüblich verfügbar, muss aber auch eine Leistung von 2,9 W abführen.

Nur sehr wenige Entwickler auf der Welt sind gewillt – wenn überhaupt – diese hohe Verlustleistung für eine so einfache Energiemessung abzuführen.

Darüber hinaus wird das Gehäuse wegen der hohen Verlustleistung wahrscheinlich kein „Standard“ sein und deshalb ziemlich teuer werden. Digi-Key verkauft z.B. den Messwiderstand CSM3637P von Vishay, der Kenndaten von 3,3 mΩ ±1% und 5 W. Er ist in Bild 1 dargestellt und, für 6,90 US-$ in 1000er Stückzahlen erhältlich. Der Metallfolienwiderstand mit den Maßen 6 mm x 3 mm x 0,6 mm bildet praktisch einen 5-W-Kühlkörper, der schwierig zu bestücken ist.

Wenn nun der LTC2946 genutzt wird, um kleinere Ströme zu messen, z.B. eine 6-A-Versorgung, dann ist ein 16-mΩ-Widerstand nötig und die Verlustleistung wären dann 0,57 W. Digi-Key verkauft den 16-mOhm-Messwiderstand ERJ8CW von Panasonic mit 1 W ±1%, in Bild 1b dargestellt, für 0,09 US-$ in 1000er Stückzahlen. Er ist in ein 1206-Gehäuse mit den Maßen 3,2 mm x 1,6 mm x 0,65 mm eingebaut, das nicht schwierig zu bestücken ist und nicht allzu viel Fläche auf der Leiterplatte beansprucht. Wenn überhaupt, generiert dies eine Energieüberwachungslösung mit einer Toleranz von 2,4%, die im Temperaturbereich zwischen –40 und 85 °C arbeitet. Das kann für einige Anwendungen zu ungenau sein, denn die Toleranz von 2,4% schließt nicht alle Ungenauigkeiten wegen der Thermokoppeleffekte ein, die von externen Verbindungen zwischen dem LTC2946 und dem Messwiderstand kreiert werden (z.B. Leiterbahnen und Leitungen).

Möchte man eine 30-A- oder 6-A-Versorgung messen, ist der Energieüberwachungsbaustein LTC2947 (Bild 2) eine einfachere Alternative zum LTC2946. Der Chip hat einen integrierten 300-µΩ-Widerstand und beseitigt damit die mit dem Einsatz von externen Messwiderständen verbundenen „Kopfschmerzen“ bezüglich der Verlustleitung, Genauigkeit, Temperaturdrift und Platzproblemen beim Messen hoher Ströme.

Misst man einen Vollskalenstrom von 30 A, beträgt der Spannungsabfall am integrierten Messwiderstand des LTC2947 10 mV, was einer Verlustleitung von rund ¼ W oder 10 mW an einer 6-A-Versorgung entspricht. Neben der geringeren Verlustleitung bietet der LTC2947 wegen seines kleinen Offsets von 9 mA (oder 2,7 µV) einen großen Dynamikbereich. Temperaturkompensierte Energiemesswerte haben einen Fehler von maximal 1,2% bei Raumtemperatur oder 1,5% über den gesamten Temperaturbereich von –40 bis 85 °C. Darüber hinaus ist der Chip in einem 32-Pin-QFN-Gehäuse mit den Längen 4 mm x 6 mm eingebaut, was ihn besonders für platzkritische Anwendungen eignet.

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