Optimierung der Systemleistung durch Präzisions-Strommessung

13. Juni 2019, 00:00 Uhr
Von Khagendra Thapa, ACEINNA Inc.
Stromsensoren werden auf vielfältige Weise  in Steuerungs-, Schutz und Mess-Schaltungen zur Überwachung
des Energieflusses innerhalb von elektronischen Systemen eingesetzt.

Es gibt noch andere Faktoren, die bei der Suche nach mehr Effizienz zu berücksichtigen sind: zum Beispiel ein gutes, altmodisches Feedback. Dies gilt auch für die Leistung Ihres Systems. Je mehr Sie darüber wissen, desto besser können Sie es verwalten. Die besten, von der modernsten Software gesteuerten Halbleiter in den neuesten Schaltungen nutzen nichts, wenn nicht genau bekannt ist, wie das System funktioniert, denn dann kann es nicht optimiert werden. Ohne Rückmeldung gibt es keine Verbesserungen, und je genauer die rückgemeldeten Informationen, desto genauer wird die Leistungsverwaltung.

Zur Verwaltung und Optimierung der Leistung in modernen Hochleistungs-Computersystemen kann man den aktuellen Stromfluss in einem System mit der Proxy-Methode messen oder mehr Berechnungen bzw. Workloads auf den Prozessor laden. Neben einer Optimierung ermöglicht eine präzise Strommessung auch die Steigerung der Umsätze in Servern und Rechenzentren, wobei die für die Anwender entstehenden Kosten entsprechend der Arbeitsbelastung oder der in Anspruch genommenen Rechenleistung ermittelt werden.

Strommessung

Die Strommessung in einer Schaltung ist ein wichtiges Mittel, das Sie darüber informiert, wie effizient das System hinsichtlich seines Leistungsbedarfs arbeitet. Stromsensoren, die in Steuer-, Schutz- und Messkreisen eingesetzt werden, messen den Leistungsfluss innerhalb des Systems und werden häufig zur dynamischen Steuerung von Schaltfrequenzen verwendet, um Verluste zu minimieren. Eine genaue und schnelle Strommessung ist der Schlüssel zur Reduzierung von Verlusten in Nullstrom- und Nullspannungs-Schaltsystemen, da jeder Strom durch einen Schalttransistor während der Schaltphase Energie verschwendet.

AMR-Technologie

Anisotrope Magneto-Resistive, isolierte Stromsensoren (AMR) bieten eine hohe Genauigkeit und Bandbreite in einem kleinen SMT-Gehäuse. Bild 1 zeigt, dass es sich bei einem AMR-basierten Stromsensor (wie zum Beispiel dem von ACIENNA) im Gegensatz zu Sensorwiderständen oder Stromwandlern hier um Drop-In-Geräte aus einer NiFe-Dünnschicht handelt. Diese weisen eine sehr hohe Empfindlichkeit und eine hohe Bandbreite gegenüber Magnetfeldern auf.
Bild 1: Im Vergleich zu Messwiderständen, Halleffektgeräten und Stromwandlern weisen AMR-basierte Stromsensoren eine sehr hohe Empfindlichkeit und eine hohe Bandbreite gegenüber Magnetfeldern auf.

Ein AMR-basierter Sensor ist besonders wertvoll für Anwendungen, bei denen aufgrund ihrer Konstruktion eine sogenannte isolierte Strommessung  erforderlich ist. Eine der einfachsten Möglichkeiten, den Strom zu messen, besteht in der Verwendung eines Shuntwiderstandes, der die über ihm abfallende Spannung misst. Diese Methode erfolgt jedoch in nicht-isolierter Weise. Wenn Sie eine isolierte Strommessung durchführen müssen, was bei Anwendungen mit höherer Spannung und/oder Stromstärke der Fall ist, steigt die Anzahl der Komponenten, was wiederum zu steigenden Kosten und all den Problemen führt.
Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung eines Stromwandlers, aber diese Lösung kann sehr komplex sein. Außerdem arbeiten Stromwandler nur mit Wechselstrom und sind durch einen Sättigungseffekt gekennzeichnet. Eine dritte Möglichkeit eröffnet sich im Einsatz eines Halleffekt-Sensors. Angesichts dieser zahlreichen Möglichkeiten wird sich die Art des Sensors, den Sie in Ihrer Power-Anwendung einsetzen, auch ganz unterschiedlich auf die Kosten, die Größe und die Effektivität Ihres Projektes auswirken.
Die AMR-Technologie von ACEINNA ist eine kompakte Ein-Chip-Lösung. Im Gegensatz zu einem Shunt verwendet AMR tech ein Substrat mit 4,8 kV Isolation, das keine zusätzlichen Komponenten außer einem Entkopplungskondensator benötigt. Im Vergleich zu einem Transformator besticht nicht nur seine Größe: Die AMR-Technologie kann sowohl auf Gleich- als auch auf Wechselstrom in beide Richtungen reagieren. Im Gegensatz zu Hall-Effekt-basierten Lösungen bietet AMR tech eine Bandbreite von 1,5 MHz, hat einen geringeren Offset und ein geringeres Rauschen, was zu einer besseren Genauigkeit und einer geringeren Phasenverschiebung führt. In Kombination mit der sehr schnellen Ausgangs-Sprungantwort von AMR tech ist dies eine präzise und kompakte Lösung für kritische Messungen zum Schutz und zur Steuerung von Stromversorgungs-Systemen.

Funktionsweise

Wie in Bild 2 dargestellt, nehmen vier Pins innerhalb des ACIENNA-Sensors den Strom auf. Auf der gleichen Seite kehrt er durch weitere vier Pins zurück. Zwischen diesen Pins fließt er in einer U-förmigen Biegung durch den Chip. Dabei erzeugt er das zu messende Feld. Wenn der Strom die Richtung wechselt, kehrt sich auch das Feld um. Das System enthält zwei separate AMR-Stromsensoren, die das Feld mit beiden Stromrichtungen messen und externe Felder und eventuell vorhandene Offsets auslöschen.
Bild 2: Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, messen die beiden (grünen) AMR-Stromsensoren das Feld aus beiden Stromrichtungen und heben dabei externe Magnetfelder weitgehend auf.

Diese Dual-Sensor-Konfiguration gibt einem AMR-Sensor die Möglichkeit, externe Felder senkrecht zum Stromfluss – und damit auch andere Komponenten auf der Platine – zu ignorieren. Ein AMR-Sensor ist nur empfindlich gegenüber horizontalen Feldern im Halbleitermaterial. Mit einem Halleffekt-Sensor werden dagegen auch Felder erfasst, die senkrecht zum Halbleitermaterial stehen. Die Beständigkeit dieses Systems gegen Streumagnetfelder führt zu wesentlich mehr Flexibilität bei der Bauteilplatzierung in einem AMR-basierten System.
Der duale Aufbau eines ACIENNA AMR-Sensors, der hohe Integrationsgrad und die verwendeten Materialien bieten nicht nur eine hohe Genauigkeit und Bandbreite, sondern ermöglichen auch eine hohe Sprungantwort – also die Fähigkeit eines Sensors, schnell auf Veränderungen in den von ihm gemessenen Magnetfeldern zu reagieren. Diese hohe Präzision reduziert Phasenunterschiede im Signal und vermeidet dazu noch weitere Artefakte, die durch langsamere und ungenauere Messungen entstehen.

Merkmale des AMR-Sensors

Wenn es um den Stromfluss in Anwendungen wie Stromversorgungen in Servern und in der Telekommunikation geht, bei denen ein Frontend-AC-DC-PFC-Konverter einen DC-DC-Bus-Konverter speist, der wiederum DC-DC-Point-of-Load-Konverter auf der Platine antreibt, ist ein AMR-Sensor die beste Wahl.
Die kürzlich vorgestellten Stromsensoren der MCx1101-Familie von ACIENNA mit ±5 A, ±20 A und ±50 A für Industrie- und Stromversorgungsanwendungen gewährleisten zum Beispiel einen präzisen Betrieb über einen sehr weiten Strombereich. Hier handelt es sich um voll integrierte, bidirektionale Stromsensoren mit einer typischen Genauigkeit von ±0,6 % (bei ±20 A) und einem Offset von ±60 mA oder ±0,3 % von FSR (max.) über der Temperatur.
Zu den weiteren Vorteilen einer AMR-basierten integrierten Einzelchip-Lösung gehört eine reduzierte Offsetspannung. Das ist die unerwünschte Differenzspannung zwischen der tatsächlichen Leistung und dem spezifizierten Wert unter verschiedenen Bedingungen, die die Genauigkeit der Messung beeinflussen kann. Durch den hohen Integrationsgrad entsteht zudem weniger Rauschen. Ein hochpräziser Sensor kann  insbesondere bei KI- und Cloud-Anwendungen helfen, die Auslastung des Prozessors zu optimieren, indem er die Leistungsverfolgung zur Leistungsüberwachung nutzt.

Anwendungsvorteile

Wenn bekannt ist, wie viel Energie jeder Proxy-Server verbraucht, weiß man auch, ob das System bereits sein Limit erreicht hat oder nicht. Außerdem ist es auch für Ihre Kunden von Vorteil, wenn sich deren Rechenzeit oder deren in Anspruch genommene Rechenleistung durch eine genaue Strom-Messung präzise ermitteln lässt.
Neben Stromversorgungen und Rechenzentren gibt es eine Vielzahl weiterer Anwendungen, die von der AMR-Sensorik profitieren können, wie beispielsweise Motorantriebe und Wechselrichter. Hierbei handelt es sich um sehr ähnliche Schaltungen, aber anstelle eines Motors befindet sich das Stromnetz als Last am Ende. Eine weitere Anwendung liegt im Bereich unterbrechungsfreier Stromversorgungen (USV), die sich vom AC-DC-Wandler über das Akkumanagement bis hin zum Endstufen-DC-AC-Wechselrichter und dessen Anschluss an das Netz erstrecken.
Auf der mit dem Netz verbundenen Ausgangsseite befindet sich ein Sinusgenerator. Bei der Powerfaktor-Korrektur misst ein AMR-Sensor (bei Verwendung eines Totem-Pole-Typs) den Strom zu Schutz- und Steuerungszwecken. Beim Akkumanagement geht es um die Steuerung des Lade- und Entladestroms. Auch andere Anwendungen wie Haushaltsgeräte, insbesondere solche mit Motoren, wie Kühlschränke und Geschirrspüler sind denkbar.

Ausblick

AMR-Sensoren sind oft die beste Wahl, wenn es um Stromversorgungen, variable Motorsteuerungs-Wechselrichter, USV, Elektrofahrzeuge, Leistungsübertragung oder Motorsteuerung geht. Aufgrund der Konstruktion und der verwendeten Materialien zeichnen sich diese Sensoren durch eine hohe Empfindlichkeit, eine schnelle Ansprechzeit und eine große Bandbreite aus. Dies macht AMR-basierte Stromsensoren aus einer Vielzahl von Gründen zur ersten Wahl für ein fortschrittliches Leistungsmanagement in Stromversorgungssystemen der nächsten Generation.

Der Autor

Khagendra Thapa, VP of Business Development von ACEINNA’s Current Sensing Business, verfügt über mehr als 21 Jahre Erfahrung im Unternehms-Management sowie in führenden Positionen in der Elektronikindustrie. Mit einem starken technischen Hintergrund brillierte er als Senior Design Engineer und Principle System Engineer, bevor er in der Vergangenheit verschiedene Führungspositionen in Großbritannien und den USA übernahm (weltweit operierender Strategic Marketing Manager, Business Unit Director und Senior Director of Business Development).
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