Strom in Automotive-Systemen messen Praktische Lösungen zur High-Side-Überwachung

Neben robusten, kostengünstigen Steuerungskonzepten nutzt man bei der Fahrzeugentwicklung Diagnosefunktionen auf Basis einer rückgekoppelten Überwachung von System-Lastströmen. Die High-Side-Strommessung ist eine praktische Möglichkeit, um Überwachungsfunktionen zu implementieren.

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Linear Technology Corp.

Derzeit erlebt die Entwicklung von elektrischen Automotive-Systemen eine der bislang dynamischsten Perioden von Veränderungen. Alle möglichen neuen Konzepte, von revolutionären elektrischen Hybridantrieben, bei denen der Motor gleichzeitig auch als Generator dient, über elektrische Stellglieder, die eine mechanikfreie elektronische Steuerung ermöglichen, bis zu intelligentem Zubehör, welches die Lebensdauer und die Effizienz verbessert, wie etwa riemenlose Pumpen oder LED-Beleuchtung, werden unverzüglich in neue Fahrzeuge integriert.

Anwender erwarten immer mehr eine automatische On-Board-Diagnose und Wartungsfunktionen mit Vorhersagefunktion führen ebenfalls zu neuen Paradigmen bei der Entwicklung von Karosserie und Motorsteuerungssystemen. In vielen dieser Bereiche des Systemneudesigns besteht ein wichtiges Feedback in der Information darüber, wie viel elektrischer Strom von einer bestimmten Last verwendet wird. Strommessungen dienen dazu, den aktuellen Zustand des Systems festzustellen, Ausfälle zu verhindern und die Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften zu unterstützen. Die fundamentale Veränderung besteht darin, dass bisherige Systeme mit offenem Regelkreis durch intelligente und effiziente Konzepte mit Rückkopplungsschleife ersetzt werden.

Grundlegende Stromfühler-Topologien

Eine kontaktlose Strommessung ist zwar möglich, doch ist diese normalerweise teuren Messinstrumenten oder hochwertigen Netzteilen vorbehalten, bei denen die entsprechenden Kosten sowie die Komplexität gerechtfertigt sind. Im Automotive-Bereich kommt es vor allem auf niedrige Kosten an, daher kommen hier in der Regel Messwiderstände zum Einsatz. Durch das Einfügen eines kleinen Messwiderstands mit bekanntem Wert (in der Größenordnung weniger mΩ) in Reihe mit der Last und das Messen des über diesen Widerstand entstehenden Spannungsabfalls bei Anliegen der Last kann man den Stromfluss präzise bestimmen.

Es gibt im Prinzip sechs unterschiedliche Topologien für die Reihenschaltung von Schalter, Last und Messwiderstand, wie die Bilder 1a bis 1f zeigen. Diese können danach klassifiziert werden, ob der Schalter in Bezug auf die Versorgungsspannung vor der Last („High-Side”) oder hinter der Last („Low-Side”) eingefügt ist. Außerdem kann der Messwiderstand ebenfalls als „Low-Side”, „Flying” oder „High-Side” eingebaut sein. Jedes dieser Szenarien kann je nach konkreter Anwendung eine optimale Lösung sein. Ebenfalls in Betracht gezogen werden müssen Ausfallszenarien, die sich je nach den Eigenschaften der jeweiligen Last unterscheiden können.

Als Faustregel gilt, dass der wahrscheinlichste Fehler eine Verbindung mit dem Rahmen (der elektrischen Masse) ist, entweder weil ein Schraubenschlüssel einen blanken Anschluss oder ein Kabel mit durchgescheuerter Isolation geerdete Metallteile berührt. In diesem Fall wäre eine „Low-Side“-Messung per se unzulänglich. Bei den meisten Anwendungen kommt die Konfiguration aus Bild 1c zur Anwendung, da sie eine Zentralisierung der Schalt- und Überwachungsfunktionen erlaubt und gleichzeitig die Zahl der erforderlichen Kabel klein hält.

Moderne Lasten – intelligente Schalter

Seit der Einführung von Leistungs-MOSFET-Bauteilen werden diese von Entwicklern als potenzieller Ersatz für Relais betrachtet. Aktuelle N-MOSFET-Schalter bieten einen Einschaltwiderstand im einstelligen Milliohm-Bereich, was die Verwendung standardmäßiger Oberflächenmontagetechniken ohne klobige Kühlkörperkonstruktionen erlaubt. Inzwischen gibt es preiswerte IC-Lösungen, die eigene Spannungsaufwärtswandler zu Ansteuerungszwecken mitbringen.

Diese Schaltkreise bringen außerdem schnelle Fehlerschutzmechanismen mit, so dass der MOSFET niemals so stark belastet wird, dass er ausfallen könnte. Ein solcher „intelligenter Schalter“ ist der Regel-IC LT1910 von Linear Technology. Dieser verwendet einen High-Side-Messwiderstand mit geringem Widerstandswert wie in Abbildung 1(c), um Überlastungen der Schaltung zu erkennen und den aktiven MOSFET abzuschalten, ehe dieser Schaden nehmen kann.

Sobald er eine Überlastung feststellt, setzt der IC ein Warn-Flag und versucht in regelmäßigen Abständen, die Last erneut zu aktivieren, bis dieser Fehler nicht mehr auftritt. Dies ist zwar nur eine binäre Lösung, zeigt aber, wie Strommessung eingesetzt werden kann, um per Rückkopplung eine robuste Lösung für ein elektronisches Relais zu bilden. Diese Lösung zeigt Bild 2.

Stromüberwachung in Echtzeit

Neben dem intelligenten Schaltschutz, den Stromfühler ermöglichen, erlaubt die Verstärkung und Umsetzung des Messwiderstandssignals eine Digitalisierung der Information als „analoges“ Rückkopplungssignal für eine Regelschleife. Viele Lasten weisen im Betrieb Eigenschaften auf, die mit einer Stromüberwachung in Echtzeit erkannt werden können. Motoren z.B. ziehen einen Strom, der proportional zum bereitgestellten Drehmoment ist.

Daher ist es möglich, Trends des Lagerwiderstands abzuleiten und unterschiedliche Stellantriebszustände zu erkennen, ohne weitere Sensoren zu benötigen. Andere Lasten, wie etwa die Beleuchtung, werden häufig von einer gemeinsamen Stromversorgung parallel gespeist. Daher ist es wichtig, feststellen zu können, ob ein Teil der Last am Ende der Nutzungsdauer ausgefallen ist.

Eine besonders einfache IC-Lösung hierfür ist als Strommessverstärker bekannt. Ein Beispiel hierfür ist der LTC6102 von Linear Technology, der für eine unidirektionale High-Side-Präzisionsmessung im Automotive-Bereich optimiert wurde. Abbildung 3 zeigt eine typische Schaltung, die den LTC6102 als Schnittstelle zwischen einer allgemeinen Strommessung und einem ADC-Eingang (Analog-to-Digital Converter) verwendet. Man beachte, dass der Ausgang des LTC6102 ein Strom ist, so dass die Rekonstruktionslast (R2) auch in einiger Entfernung vom IC angebracht sein kann, ohne dass es zu Fehlern durch Masseschleifen kommt.

Dank der außergewöhnlichen Präzision dieses IC können selbst Messwiderstände RSENSE mit einem Wert von weniger als einem Milliohm eingesetzt werden, so dass die Erwärmung und der Spannungsverlust auf ein Minimum beschränkt werden. Diese Schaltung zeigt auch die zusätzlichen Komponenten D1 und R3, die einen Transientenschutz bei Verpolung bieten. Die Tabelle zeigt eine Auswahl verfügbarer Strommessverstärker mit ihren wichtigsten technischen Daten.

Erwägungen bei pulsmodulierten Lasten

Bei Lasten, die lastzyklusmoduliert sind, um unterschiedliche Performancestufen mit Hilfe von Hochfrequenz-Pulsbreitenmodulation (PWM) zu erzielen, muss man einige zusätzliche Faktoren berücksichtigen, wenn man eine Schaltung zur Stromüberwachung entwirft. Vor allem muss man dafür sorgen, dass die Reaktionszeit kurz genug ist, um bei Fehlzuständen noch innerhalb der Einschaltphase der Wellenform zu reagieren. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Schaltaktivität möglichst keine größeren Auswirkungen auf die Genauigkeit der Strommessung hat.

Normalerweise liefert auch hier die Konfiguration aus Bild 1c die besten Ergebnisse, da die Schaltungsimpedanzen niedrig sind und Gleichtakt-Probleme nur in geringem Maße auftreten. In Situationen, wo der durchschnittliche Laststrom (die „Gleichspannungskomponente”) erwünscht ist, kann nachträglich im analogen oder DSP-Bereich der Schaltung gefiltert werden, um die PWM-bezogenen Frequenzkomponenten zu eliminieren. Die gemittelten Versorgungsstromwerte stehen in eindeutiger Korrelation zum Laststrom und liefern einen guten Indikator für den subjektiven Effekt, sei es die Lampenintensität oder die Stellantriebskraft.

Ansteuerstrom für eine H-Brücke überwachen

Die Ansteuerung einer H-Brücke kann man sich als Paar von Halbbrücken vorstellen, die mit komplementären Signalen betrieben werden, um ein differentielles bidirektionales Ausgangssignal zu liefern. Umgekehrt kann man sich jede Halbbrücke als Erweiterung der unidirektionalen Konfiguration in Bild 1c vorstellen, bei der der Low-Side-Schalter parallel mit der Last hinzugefügt wird. Bild 4 zeigt eine solche Konfiguration unter Verwendung eines LTC6103, der ein differentielles Ausgangssignal zur direkten Ansteuerung eines A/D-Wandlers liefert. Eine solche Schaltung wäre z.B. gut für Motoren von Fensterhebern, Klimaanlagenmechanismen oder für alles geeignet, wo Bewegungen in zwei Richtungen stattfinden.

Man beachte, dass auch bei einem Masseschluss der Last die Low-Side-MOSFETs keiner Überlastung ausgesetzt sind, daher reicht es, jede Halbbrücke nur auf der High-Side zu überwachen. Der Laststrom kann bestimmt werden, indem man die Differenz der unidirektionalen Strommesswerte der beiden Halbbrücken berechnet. Man beachte, dass mit Kontrolle der Signalstärke, wo einer der High-Side-Schalter 100% an ist, keine Lastzykluskorrektur erforderlich ist, um den Laststrom präzise zu messen.

*Jon Munson arbeitet als Senior Application Engineer im Produktbereich Signal Conditioning bei Linear Technology in Milpitas, CA, USA.

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