Применение управляемых измерительных резисторов в широкодиапазонных быстродействующих датчиках тока

УДК 621.37

Киреев А. О., Светлов А.В.

Применение управляемых измерительных резисторов в широкодиапазонных

быстродействующих датчиках тока

Аннотация. Проведено моделирование управляемых измерительных

резисторов (УИР) в широкодиапазонных быстродействующих датчиках тока. Сформулированы требования к динамическим параметрам применяемых МОП-транзисторов. Согласованы параметры выходных сигналов типовых

микроконтроллеров и интерфейс управления УИР.

Ключевые слова: энергопотребление, беспроводные сенсорные сети, широкодиапазонный быстродействующий датчик тока, управляемый

измерительный резистор, микромощные системы.

Abstract. The modeling of controlled current-sensing resistors for wide-range fast-operating current sensors is performed. The specifications of dynamic characteristics of MOSFET-transistor are formulated. The parameters of output signal microprocessors and interface of controlled current-sensing resistor are conformed.

Keywords: power consumption, wireless sensor networks, wide-range fast-operating current sensor, controlled current-sensing resistor, micropower systems.

Введение

Создание широкодиапазонных быстродействующих датчиков тока является сегодня одним из важных направлений измерительной техники [1,2]. Современные электронные устройства и системы все активнее используются принципы и методы адаптивного управления собственным энергопотреблением. Это стало возможным благодаря появлению элементной базы, способной динамически менять режимы работы, а также повсеместному внедрению микропроцессорных систем, работающих под управлением сложных программных продуктов. Энергопотребление современных цифровых автономных устройств является динамической величиной, с диапазоном изменения порядка 120 дБ (например, от 1 мкА в режиме ожидания, до 1 А в режиме передачи данных по радиоканалу). Следует отметить и тот факт, что длительность нахождения устройства в каждом из режимов может быть достаточно малой и исчисляться десятками и сотнями микросекунд [3].

Таким образом, разработка современных сложных аппаратно-программных комплексов (например, беспроводных сенсорных сетей) требует создания новых информационно-измерительных систем (ИИС), позволяющих в реальном масштабе времени оценивать профиль энергопотребления устройств.

Очевидно, что создание подобных ИИС невозможно без использования широкодиапазонных быстродействующих программно-управляемых датчиков тока (ДТ). Описание общей структуры построения подобных ДТ было дано в работе [4]. В качестве базовой техники получения широкого динамического диапазона и высокого быстродействия ДТ был определен метод программного управления усилительными каскадами с помощью цифрового потенциометра.

1 Принцип работы управляемого измерительного резистора.

Использование программно управляемого коэффициента усиления является необходимым шагом при создании измерительных систем подобного типа. Тем не менее, диапазон Кус = 1...1000 является недостаточным при динамическом

диапазоне входного сигнала порядка 120 дБ и накладывает высокие требования к разрешающей способности последующего аналого-цифрового преобразователя. Для решения данной проблемы было предложено использовать управляемый токоизмерительный резистор (УИР). Как известно, для минимизации влияния токоизмерительного резистора, его сопротивление должно быть как можно меньше, однако, для большинства практических применений в сфере решаемой задачи, достаточно выбрать значение УИР < 0,01R , где R - значение сопротивления исследуемой цифровой схемы в момент измерения. Однако, требуемое малое значение УИР делает невозможным применение цифровых потенциометров, минимальное сопротивление которых составляет десятки Ом. Таким образом, наиболее приемлемым представляется вариант с использованием набора прецизионных резисторов, переключаемых с помощью быстродействующих ключей с низким сопротивлением в замкнутом состоянии.

На рис. 1 показаны возможные варианты реализация управляемого

токоизмерительного резистора.

О +Пит О +Пит

а) Последовательное б) Параллельное

соединение ключей соедИНеНИе ключей

Рис. 1. Варианты реализация управляемого токоизмерительного резистора (МК - управляющий микроконтроллер, RS1...RSN - набор прецизионных

сопротивлений).

Минимальные значения сопротивления УИР составляют доли Ома. Следовательно, для сохранения необходимой точности дальнейших преобразований, сопротивление ключа в замкнутом состоянии не должно превышать единиц миллиом. В связи с отсутствием готовых ключей в интегральном исполнении с требуемыми характеристиками, было предложено использовать ключевые схемы на мощных полевых МОП-транзисторах, обладающих низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии и имеющим высокие динамические характеристики.

Управление замыканием/размыканием ключей происходит согласно

программе, заложенной в управляющий микроконтроллер. Параллельное соединение резисторов снижает погрешность, вносимую транзисторными ключами. В этом случае к сопротивлению прецизионного резистора из набора RS1...RSN добавляется сопротивление R^o^^ только одного транзистора. В случае последовательного соединения резисторов, дополнительное сопротивление, создаваемое ключами, равно (N -1) • R . Однако, малое значение и

стабильность параметра R позволяет нивелировать это недостаток. Кроме

сток-исток

того, схема последовательного соединения резисторов обладает существенным преимуществом - при динамическом управлении ключами всегда существует связь исследуемой схемы с общей шиной по постоянному току. Такое решение позволяет снизить влияние измерительной системы на исследуемую схему и представляется наиболее приемлемым для решения данной задачи.

Рассмотрим практическую реализацию УИР. В таблице 1 сведены основные параметры полевых транзисторов, имеющих определяющее значение для решения поставленной задачи. Фирмы International Rectifier и Vishay выбраны как производители, предлагающие наиболее инновационные решения в области мощных МОП-транзисторов. Выбор конкретных моделей транзисторов обусловлен их ультранизким сопротивлением R^^^.

Таблица 1. Характеристики МОП-транзисторов

Параметр IRLR3717

R сток-исток 5,5 мОм 1,5 мОм 1,6 мОм

Q3 (полный заряд затвора) 31 нКл 230 нКл 65 нКл

Свх (входная емкость) 2830 пФ 10890 пФ 6200 пФ

Свых (выходная емкость) 920 пФ 2890 пФ 1800 пФ

Свых (проходная емкость) 420 пФ 2180 пФ 760 пФ

td(on) (время задержки при включении) 14 нс 14 нс 70 нс

ton (время включения) 14 нс 74 нс 55 нс

td(off) (время задержки при выключении) 5,8 нс 140 нс 90 нс

toff (время выключения) 16 нс 160 нс 45 нс

Проведем моделирование в системе OrCAD динамических параметров указанных моделей транзисторов с целью нахождения оптимальной по быстродействию схемотехнической реализации УИР.

2 Моделирование динамических параметров УИР.

Необходимость переключения измерительных резисторов возникает при выходе тока потребления исследуемой схемы за границы измерительного поддиапазона. Переменное энергопотребление моделируется источником тока I_I1. Количество ключей выбрано равным 2, так как переключение поддиапазонов происходит последовательно. Время принятия решения на смену поддиапазонов не зависит от типа транзистора и принято равным нулю. Управляющие сигналы с МК заменены моделями импульсного источника напряжения со скоростью нарастания фронта 50 нс (по документации на МК компаний Microchip и Texas Instruments). Макромодели транзисторов взяты с официальных сайтов производителей (www.irf.com и www.vishay.com).

Входной файл для моделирования в системе OrCAD (транзистор IRLR3717): V_V1 7 0 3.6vdc

I_I1 7 1 pulse

V_V5 16 0 pulse

V_V6 18 0 pulse

R_R2 1 15 3.3

R_R20 15 0 0.033

R_R12 15 16 100k

R_R13 0 18 100k

.LIB irlr_u3717.cir X_X4 1 16 15 irlr_u3717

X_X5 15 18 0 irlr_u3717

Задание на моделирование:

.tran 10ns 1.3ms

Результаты моделирования приведены на рис. 2.

о V

T i m e

Рис. 2. Динамические характеристики транзистора IRLR3717.

Время установления нового значения напряжения на УИР составило ~200 нс (по уровню 0,99). Полученное время смены измерительного поддиапазона превышает ton и toS для указанного типа транзистора, что связано с конечной скоростью нарастания управляющих импульсов МК и последовательным соединением транзисторов.

Результаты моделирования для транзисторов IRFH6200 и SiE874DF приведены на рис. 3 и 4 соответственно. Время установления нового значения напряжения на УИР (по уровню 0,99): для IRFH6200 - ~1150 нс; для SiE874DF —350 нс.

T i m e

Рис. 3. Динамические характеристики транзистора IRFH6200.

V

T i m e

Рис. 4. Динамические характеристики транзистора SiE874DF.

Учитывая, что время принятия решения о переключении измерительных поддиапазонов составляет единицы микросекунд, приемлемыми динамическими характеристиками обладают МОП-транзисторы IRLR3717 и SiE874DF. Однако, реальная нагрузочная способность управляющих портов МК низка

Рис. 5. Выбросы тока по цепи управления затвором транзистора.

Попытка ограничения тока с помощью резистора (150 Ом, ток затвора ~20 мА) приводит к существенному увеличению длительности переходного процесса (см. рис 6.): до 4 мкс для IRLR3717 и до 10 мкс для SiE874DF.

T i m e

Рис. 5. Переходные процессы при наличии токоограничивающего резистора в

цепи затвора МОП-транзисторов.

Компромиссным решением будет являться применение буферных аналоговых ключей в интегральном исполнении в цепях управления затвором. Примером может служить микросхема MAX4608 (фирмы MAXIM), позволяющая коммутировать импульсный ток до 300 мА, имеющая сопротивление в открытом состоянии не более 2,5 Ом и время включения/выключения равным 100/130 нс соответственно.

Ограничение импульсного тока до уровня менее 100 мА (с целью снижения нагрузки на источник питания датчика) достигается путем последовательного включения резистора сопротивлением ~20 Ом. Диаграммы переходных процессов при данной схемотехнической реализации приведены на рис. 7.

Время установления нового значения напряжения на УИР при смене измерительного поддиапазона для IRLR3717 составляет ~750 нс (ток цепи затвора ~80 мА). Для транзистора SiE874DF данный параметр равен 2000 нс (при этом ток цепи затвора превышает 120 мА).

V

100mA-

- / ."Ч I 1

I

о Ш_ш о I

Л

I

.4us 109 6us 109 8us 110 0us 110 2us 110 4us 110 6us 110 8us 111 0us 111.2us

0A-

-100mA-4.0mV-

0V

SEL>>

-4.0mV

о V

T i m e

Рис. 7. Переходные процессы при использовании буферных аналоговых ключей в цепи затвора МОП-транзисторов (IRLR3717).

Таким образом, для построения УИР целесообразно применить полевой МОП-транзистор IRLR3717 или аналогичный, с низким сопротивлением Д.ток_исток, с

параметрами входной и выходной емкости, а также заряда затвора не превышающим указанные в табл.1.

3 Температурные характеристики УИР.

Области применения УИР в датчиках тока нередко включают в себя работу в полевых условиях в широком диапазоне температур. В связи с этим существенному влиянию подвержен параметр ^сток_исток, влияющий на точность дальнейших преобразований. Проведем моделирование УИР на базе транзистора IRLR3717 в диапазоне температур минус 40.. ,+50°С.

Графики температурных зависимостей представлены на рис. 8. Относительная температурная погрешность составляет DR »19,5%. Однако, высокая

г J г Г сток-исток 5 ^5

линейность данной погрешности позволяет нивелировать ее значение, путем снятия температурных компенсационных характеристик на этапе заводской калибровки датчика тока.

4.8m

4.4m

4.0m

3.6 m-I—;—;—1—;——;—;—1—;——;—;—1—;——;—;—1—;——;—;—1—;——;—;—;—;——;—;—;—;——;—;—;—;——;—;—1—;——;—;—1—;—

0A 0.1A 0.2A 0.3A 0.4A 0.5A 0.6A 0.7A 0.8A 0.9A 1.0A

О V і О + X V

I _I 1

Рис. 8. Зависимость сопротивления R от измеряемого тока и

температуры.

Следует отметить, что относительная погрешность Rсток-исток, вызванная изменением анализируемого тока, мала и составляет AR^^^ < 0,1 % .

Заключение

Проведенное моделирование показывает целесообразность использования управляемых измерительных резисторов в широкодиапазонных быстродействующих датчиках тока. Сформулированы требования к динамическим параметрам применяемых МОП-транзисторов. Согласованы параметры выходных сигналов типовых МК и интерфейс управления УИР. Сделан вывод о возможности программной компенсации температурных погрешностей УИР в управляющем МК.

Список литературы

1. Lorente, C. Characterize Batteries and Power Consumption Using the NI PXI-4071 7 /У-digit Digital Multimeter [Электронный ресурс] / C. Lorente, K. Reindel - 2006. -URL: http://zone.ni.eom/devzone/cda/tut/p/id/2721.

2. Паттерсон, Д. Оптимизация потребления при разработке систем на цифровых сигнальных процессорах / Д. Паттерсон, Д. Диксон // Новости электроники. -2007. - №3. - С.27-31.

3. Kats, D. Embedded Media Processing / D. Kats, R. Gentile. - Burlington, MA, USA: Newnes Publishers, 2005. - 390 p.

4. Киреев А.О., Светлов А.В. Средства мониторинга и анализа энергетических режимов работы автономных микромощных систем. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 3 (15). - С. 92102.

5. Кеоун, Д. OrCAD Pspice. Анализ электрических цепей / Д. Кеоун - М.: ДМК-Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 640 с.

6. Болотовский, Ю. И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная книга» / Ю. И. Болотовский, Г. И. Таназлы. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 200 с

і+80 1+60"" 1+40 1+200

-20

-40