14 ноября 2023 г.
Собирая стенд для измерения входных и выходных параметров своего DC-DC преобразователя, я озадачился проблемой измерения величин токов и напряжений двуполярного выхода. В довесок к этому, необходимо было измерить ток и напряжение на входе модуля, а сам модуль при этом гальванически изолированный. Существуют специализированные микросхемы серии INA, позволяющие измерять ток, напряжение и мощность, причем с довольно неплохой точностью. Например, INA226 имеет 16-битный АЦП, позволяет измерять напряжение до 36В и подключается к микроконтроллеру по шине I2C.
Но в данном случае проблема их применения заключается в том, что INA226 умеет измерять только положительное напряжение. Чтобы измерить отрицательное плечо, нужно вместо общего провода принять за ноль отрицательное напряжение. Но у этих микросхем логическая часть с I2C-интерфейсом связана общим проводом с аналоговой измерительной частью. Таким образом, подключить две INA для измерения двуполярного напряжения можно, при условии, что земли у микросхем будут изолированы друг от друга. При этом появляется проблема подключения их к одному микроконтроллеру. Можно решить эту проблему другим способом - принять за ноль отрицательную шину и измерять отрицательное плечо, размах обоих плеч и, вычтя одно из другого, получить значение плюсового плеча. При этом нужно в правильные места разместить шунты для измерения тока и корректно учесть падение напряжения на них. Но ко всему этому нужно добавить измеритель еще и на входе! И если даже соединить входную и выходную земли, второй способ сразу отпадает, т.к. на выходе измеряемого модуля INA226 будут привязаны оба к минусовому плечу, а на входе - к общему проводу. Именно по всем этим причинам невозможны прямые измерения при помощи встроенного в микроконтроллер АЦП. К тому же INA226 измеряет точнее, у нее 16-битный АЦП. Структура и пример подключения INA226 показан на рисунке ниже.
Таким образом, остается только изолировать все измерители друг от друга, а к микроконтроллеру подключить гальванически развязанными шинами I2C. Таких решений в продаже не нашлось, поэтому я разработал свой модуль, схема которого приведена ниже.
Правая часть схемы представляет собой измерительную часть на базе INA226 со всей необходимой обвязкой, а левая - изоляторы логических сигналов и питания. INA226 включена по рекомендуемой производителем схеме, сигналы с шунта фильтруются ФНЧ на базе интегрирующей цепи R15-R16-C8. Подключение к шунту (R20) выполнено по четырехпроводной схеме. Группа перемычек R10-R14, R17-R19 отвечают за выбор I2C-адреса микросхемы. Всего доступно 16 комбинаций.
Изоляцию питания обеспечивает простой DC-DC преобразователь B0505S, напряжение с которого дополнительно фильтруется CLC-фильтром C5-L2-C6 для обеспечения лучшей помехозащищенности INA226 по цепям питания. Шину I2C изолирует микросхема ADuM1250, сигнал ALERT - оптопара.
На схеме присутствуют несколько разъемов. XP1 обеспечивает изолированное подключение управляющего микроконтроллера, XP2 - неизолированное. XP3, XP4 служат для подключения к измеряемой цепи. Возможно реализовать оба варианта включения шунта - на верхней и на нижней стороне относительно нагрузки.
Печатная плата имеет размеры 50 на 30 мм и разведена на двух слоях с применением элементов поверхностного монтажа.
Печатные платы этого модуля доступны в магазине.
В работе модули показали себя успешно, все работает так, как и задумывалось. Ниже на фото приведен стенд измерения параметров DC-DC-преобразователей. В нем применены три таких модуля, собранных на плате первой ревизии.
