Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Auswahl des richtigen Operationsverstärkers


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von Christian K. (einglasvollwasser)


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Hallo Zusammen,

ich bin auf der Suche nach dem "richtigen" Operationsverstärker für 
meine Überstromabschaltung.

In meiner Brückenschaltung (Synchron Buck mit flotten eGaN FETs) möchte 
ich, über meinen Shunt (sitzt zwischen Source des lowside FET und DC-) 
die Spannung messen. Im Falle eines zu hohen Spannungsabfalls (also im 
Kurzschlussfall) soll das PWM Signal von meinem uC abgeschaltet werden.

Dazu soll die Spannung am Shunt zunächst über einen OPV verstärkt 
werden:
Rshunt = 0,015 Ohm , Iabschalt = 25 A -> Ushunt = 0,375 V

Der OP (nichtinvertierender Verstärker, die Beschaltung kann ich auch 
über ein externes Widerstandsnetzwerk vornehmen) soll eine Verstärkung 
von 8 (Uout = 3V) und lediglich eine Spannungsversorgung von +5V 
besitzen.

Anschließend soll ein Komparator bei den 3 V (hier habe ich mir schon 
einen Typ empfehlen lassen der zügig schaltet, LT1016) am Ausgang auf 
low schalten. Zwischen Komparator und uC sitzt dann noch ein digitaler 
Isolator.

Es gibt bereits Fertiganwendungen zur Überstromabschaltung, wie bspws. 
den INA301. Die Verarbeitungszeit von 1 us halte ich jedoch für zu lang.

Ich habe mich bereits bei Linear und TI umgesehen und nach Highspeed 
Amplifiers geschaut aber bei der Auswahl bin ich mir nicht sicher ob ich 
den richtigen gewählt habe oder nicht.

Meine Kriterien bei der Auswahl des OPs sind:
- er muss schnell sein (schnelle Reaktion auf das Eingangssignal, und 
generell eine schnelle Slewrate besitzen, sodass in wenigen ns der 
Ausgang von 0...3V hochgeht, wenn ein Fehler eintritt)
- die Stromanstiegszeiten sind im einstelligen Nanosekundenbereich, es 
wäre daher schön, wenn diese hochfrequenten Anteile auch mitverstärkt 
werden könnten, sodass mein OPV entsprechend schnell reagiert.
- Bzgl. Stabilität bin ich mir unsicher: Muss ich mir Gedanken / Sorgen 
machen, wenn ich ein sehr steilflankiges Eingangssignal habe und der OPV 
eine zu geringe Bandbreite besitzt? Führt das zu Stabilitätsproblemen 
oder werden die einfach durch das Tiefpassverhalten des OPVs 
herausgefiltert?
- Eine Versorgungsspannung von 5V und 0V sind wünschenswert
- ich benötige nur einen Kanal

Kann mir jmd. diebezüglich eine Empfehlung aussprechen?

Danke schonmal vorab

Ciao

Christian

von Max M. (jens2001)


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Zu viel Prosa.

von Thomas B. (thombde)


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Viel zu kompliziert.
Eigentlich schafft das jeder rail to rail.

Christian K. schrieb:
> - Eine Versorgungsspannung von 5V und 0V sind wünschenswert

??

von Lurchi (Gast)


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Durch parasitäre Induktiviät verhält sich ein Shunt im 10 mOhm Bereich 
alles andere als Ideal. Für eine schnelle Abschaltung muss man das 
berücksichtigen, sonst reagiert die Abschaltung ggf. zu früh. Der 
Geschwindigkeit sind damit Grenzen gesetzt.

Einen wirklich schneller Anstieg des Stromes hat man nur, wenn der 
Kurzschluss im Wandler (Induktivität, Diode oder FET) selber auftritt. 
Sonst begrenzt die Induktivität schon von sich aus die 
Anstiegsgeschwindigkeit für den Strom. Es ist also die Frage ob da viel 
Aufwand lohnt.

Der OP sollte schon relativ schnell sein bei 8 facher Verstärkung und 
einem Ziel von vielleicht 10 MHz für die Bandbreite wären das z.B. 80 
MHz GBW. Heute bieten die Hersteller dafür Suchfunktionen an. Am unteren 
Ende muss man ggf. auch noch aufpassen, dass der OP nicht auch noch zu 
sehr an der unteren Grenze fest klebt - ggf. müsste man ein paar mV 
Offset dazu geben. Ggf. wäre auch etwas weniger als 8 fache Verstärkung 
besser.
Es könnte ggf. auch ausreichen direkt auf den Komparator zu gehen - ob 
es mit einer Verstärkung vorweg schneller wird, ist nicht sicher.

von Florian (Gast)


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Die Sinnhaftigkeit in ns eine Stromabschaltung vorzunehmen mal 
dahingestellt.
Wie willst du das denn mit dem UC machen, jetzt sag nicht über einen 
interupt mit
Latenzen die sicher über einstelligen ns hinausgeht..
Wenn dann das pwm über ein Gate führen...
Bei dem Anspruch puhh...
Z.b der UC den ich gerade einsetze hat highspeed analog comperatoren ( 
allerdings
nicht ns einstellig) dazu Logik blöcke. Die pwm kann man durch einen 
logik Block
verunden... Ein weitere logic Block würde über den D-FF Ausgang das Gate 
Signal
ausgeben. Dieser Block bekommt dann das  comperator Signal und latcht 
dieses halt,
Strom dann aus. Über den comperator Interrupt (ggf. Auch Logik Block 
int) weiß der UC
Bescheid kann Meldung geben und wieder freigeben oder oder...
Das Signal vom shunt kann dann auch direkt an den einen Eingang vom 
analog
Comperator vom UC, an den anderen dann deine Schwelle ggf über einen dac
Einstellbar.... Okay da war was von trennung, dann mit shunt signal über 
einen
Externen comperator geben und isolieren. Ggf die logic generell extern
Aufbauen, und dem Controller isoliert den Status mitteilen... Fürs 
Wiedereinschalten
kommt es wohl nicht auf ns an?
Ich denke das pwm gaten und bei Schwellen Überschreitung gelatcht 
abschalten
bis es wieder freigeben wird sollte schon fix gehen können...

von Thomas B. (thombde)


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Das wird bestimmt eine Schaltung die schnell kaputt geht.
Dann hole ich mir das Ding von dem Wertstoffhof, schlachte das aus und 
baue was vernünftiges draus :)

Gruß
Thomas

von Christian K. (einglasvollwasser)


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Hallo Zusammen,

ich habe lediglich darum gebeten Vorschläge für geeignete 
Operationsverstärker zu erhalten und möchte wissen ob es 
Stabilitätsprobleme geben kann.

@ Thomas B. : Ok, wenn du der Auffassung bist das rail to rail besser 
sei:  weshalb?

@ ; "Einen wirklich schneller Anstieg des Stromes hat man nur, wenn der
Kurzschluss im Wandler (Induktivität, Diode oder FET) selber auftritt.
Sonst begrenzt die Induktivität schon von sich aus die
Anstiegsgeschwindigkeit für den Strom. Es ist also die Frage ob da viel
Aufwand lohnt."

Ich würde mal sagen: Nope. Ich rede hier von der heißen Schleifen, id 
vom lowside fet. Dort steigt der Strom stets von Null auf den Wert des 
Ausgangsstromes an. Die Anstiegsgeschwindigkeit ist eine Funktion der 
Gate Source Kapazität und des Gatestromes. Wenn du die Induktivität der 
heißen Schleife meinst, dann liegt die im ein- bis niedrigen 
zweistelligen nH Bereich. Das begrenzt die Stromanstiegsgeschwindigkeit 
nicht sonderlich.

" Am unteren
Ende muss man ggf. auch noch aufpassen, dass der OP nicht auch noch zu
sehr an der unteren Grenze fest klebt - ggf. müsste man ein paar mV
Offset dazu geben."

Das habe ich nicht verstanden - was meinst du mit der unteren Grenze?

"Es könnte ggf. auch ausreichen direkt auf den Komparator zu gehen - ob
es mit einer Verstärkung vorweg schneller wird, ist nicht sicher."

Daran habe ich auch schon gedacht... Aber ist das nicht ein zu kleiner 
Störabstand?

@Florian: "Die Sinnhaftigkeit in ns eine Stromabschaltung vorzunehmen 
mal
dahingestellt." -> Weil? Meine Fets vertragen keine paar us einen 
Kurzschluss: GS66506T

"Wie willst du das denn mit dem UC machen, jetzt sag nicht über einen
interupt mit"

Es gibt da eine spezielle Funktion, die nennt sich Tripzone. Mein uC 
schaltet die ePWM Signale am uC innerhalb von 10-15ns ab. Habs heute 
getestet.

Nimm mir das nicht übel, aber deinen Text zu lesen fällt mir alles 
andere als leicht. Ich steig da nicht durch, durch das WirrWarr.

Konkrete OPV Verschläge würde ich sehr begrüßen - wie gesagt, aus dem 
Sammelsurium von OPVs steige ich nicht so recht durch. Ich werde 
trotzdem weiter suchen und euch auf dem laufenden halten.

Euch einen schönen Abend

Ciao

Christian

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von voltwide (Gast)


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Es hat wenig Zweck, einen OPV herauszusuchen, dessen Spezifikation noch 
zu diskutieren wäre. Bei  festgelegten Spezifikationen gehst Du auf die 
Seite von Digikey und bemühst die parametrische Suche.
Ansonsten scheint mir Dein Ansatz ziemlich praxisfremd.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass Reaktionszeiten im ns-Bereich 
kaum sinnvoll sind. Und dass die Stromrate allein eine Frage von 
gate-Kapazität und gateStrom sei, vernachlässigt völlig die kapazitiven 
Umladeströme, die über dem (induktionsbehafteten!) shunt nette 
Spannungsspitzen erzeugen, worauf die superschnelle Überstromabschaltung 
sofort nach dem Einschalten anspricht....

von voltwide (Gast)


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Nachtrag: Google mal nach "leading edge blanking" (LEB)

von Florian (Gast)


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Christian K. schrieb:

> Es gibt da eine spezielle Funktion, die nennt sich Tripzone. Mein uC
> schaltet die ePWM Signale am uC innerhalb von 10-15ns ab. Habs heute
> getestet.
Jup das wäre dann ja gute Voraussetzungen.


> Nimm mir das nicht übel, aber deinen Text zu lesen fällt mir alles
> andere als leicht. Ich steig da nicht durch, durch das WirrWarr.
Ach egal, war auch etwas wirr und tut dann  eh nix mehr zu Sache...

> Konkrete OPV Verschläge würde ich sehr begrüßen - wie gesagt, aus dem
> Sammelsurium von OPVs steige ich nicht so recht durch. Ich werde
> trotzdem weiter suchen und euch auf dem laufenden halten.
warum nicht direkt einen komperator ohne erst noch zu verstärken,
 irgend ein besonderen Grund dafür.

von Florian (Gast)


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voltwide schrieb:
> Die über dem (induktionsbehafteten!) shunt nette
> Spannungsspitzen erzeugen, worauf die superschnelle Überstromabschaltung
> sofort nach dem Einschalten anspricht....

RC Glied parallel zum shunt.

von A. S. (achs)


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Christian K. schrieb:
> Aber ist das nicht ein zu kleiner Störabstand?

Wie meinst Du das? Dein Komparator schaltet bei 3V genauso zuverlässig 
wie bei 0.3V. Ein OP dazwischen ist so unnötig wie ein Kropf. Der OP 
vergrößert den Fehler eher als dass er ihn mindert.

: Bearbeitet durch User
von Christian K. (einglasvollwasser)


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Moin moin,

"Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass Reaktionszeiten im ns-Bereich
kaum sinnvoll sind. Und dass die Stromrate allein eine Frage von
gate-Kapazität und gateStrom sei, vernachlässigt völlig die kapazitiven
Umladeströme, die über dem (induktionsbehafteten!) shunt nette
Spannungsspitzen erzeugen, worauf die superschnelle Überstromabschaltung
sofort nach dem Einschalten anspricht...."

Ich verwende einen Koaxialshunt, dessen Beinchen ich so kurz wie möglich 
ausführe. Ich rechne dennoch mit 1cm an zusätzlicher Leitungslänge und 
demzufolge auch Induktivität.

Du sagst diese Methode sei praxisfremd. Ich habe sie ehrlich gesagt bei 
TI gefunden: http://www.ti.com/lit/ml/slob091/slob091.pdf
Dort ist das Beispiel beschrieben mit einem OPV und einem Komparator.

Für den Fall das aufrund der Induktvität und des hohen di/dt mein 
Komparator bereits nach dem ersten Mal einschalten auslösen sollte, dann 
kann die Schaltschwelle des Komparators ja angepasst werden.

Die Ausblendeschaltung verändert ja auch die Stromform aufgrund des RC 
Gliedes. Das möchte ich vermeiden, da ich mit dem Shunt auch den realen 
Strom sehen möchte.

Warum ich das so flott haben möchte ist wie gesagt die Tatsache, dass 
mein FET, im Falle eines Kurzschlusses, nur eine 1us (laut SOA) 
überlebt.
Es muss daher flott gehen.

Ich werde es jetzt erst einmal nur mit einem Komparator durchsimulieren.

Bis später

Christian

von A. S. (achs)


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Christian K. schrieb:
> Dort ist das Beispiel beschrieben mit einem OPV und einem Komparator.

Dort geht es darum, den Spannungsabfall nach gnd zu transformieren. 
Nicht primär um Verstärkung.

von Dieter W. (dds5)


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Achim S. schrieb:
> Christian K. schrieb:
>> Dort ist das Beispiel beschrieben mit einem OPV und einem Komparator.
>
> Dort geht es darum, den Spannungsabfall nach gnd zu transformieren.
> Nicht primär um Verstärkung.

Außerdem ist die dort genannte Ansprechzeit von 10µs merklich zu lang 
für das Vorhaben des TO.

von Christian K. (Gast)


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Du benötigst eine effektive Messbandbreite am Shunt von ca. 100MHz. 
Nehmen wir mal an, der Shunt macht 100mV an der Stromgrenze. Du 
benötigst 3V am OPamp Ausgang zum Abschalten. Macht eine GBW von 3GHz 
für den OPamp. zuzüglich muß er single Supply (Eingangs common mode 
Bereich einschließlich GND) sein.

von Nils (Gast)


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Vorsicht mit dem LT1016. Der Comparator ist so schnell und empfindlich 
das er bei nicht idealer Schaltung ganz gerne mal spontan im 
zweistelligen Mhz Bereich schwingt.

Das ist kein Bauteil, welches man einfach mal so irgendwie reinbastelt.

von voltwide (Gast)


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Christian K. schrieb:
> Es muss daher flott gehen.
>
> Ich werde es jetzt erst einmal nur mit einem Komparator durchsimulieren.

Die grundlegende Frage ist hierbei:
Wie groß die die Stromspitze durch Kapazitätsumladung innerhalb der 1us 
und wie unterscheide ich die von einem gefährlichen Überlaststrom.

von voltwide (Gast)


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Nimm mal als PraxisBeispiel die Überstrombegrenzung in heutigen 
Class-D-Verstärkern, z.B. von TI. Diese funktionieren lt Datenblatt nur, 
wenn im Ausgangskreis eine Mindestinduktivität eingefügt ist.
Deren Aufgabe ist die Begrenzung der Stromrate auf einen gesunden Wert, 
so dass die Überstrombegrenzung ein gewisse LEB-Zeit hat zum verzögerten 
Ansprechen.
Warum wohl? weil die "beliebig schnelle" Lösung im Beisein der 
kapazitiven Stromspitzen nicht praktikabel ist.

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