Warum eine Kappe über Shunt-Widerstand, Eingangs-Bypass-Kappen und kleine Widerstände an Stromerfassungseingängen?

Der grundlegende Zweck eines Widerstandspaars und eines Kondensators über dem Differenzverstärker besteht darin, das Rauschen herauszufiltern .

Das Messen von Strom ist oft verrauscht, und das Messen kritischer Strompfade erfordert eine saubere Eingabe.

Folgt man der Design-Empfehlung für Current Monitor IC INA219 im Datenblatt, findet man genau die gleiche Konfiguration:

Ich kopiere den wörtlichen Wortlaut aus dem folgenden Datenblatt:

Der interne ADC basiert auf einem Delta-Sigma (ΔΣ)-Frontend mit einer typischen Abtastrate von 500 kHz (±30 %). Diese Architektur hat eine gute inhärente Rauschunterdrückung; Transienten, die bei oder sehr nahe bei den Harmonischen der Abtastrate auftreten, können jedoch Probleme verursachen. Da diese Signale bei 1 MHz und höher liegen, können sie durch Einbau einer Filterung am Eingang des INA219 behandelt werden. Die hohe Frequenz ermöglicht die Verwendung von Vorwiderständen mit niedrigem Wert auf dem Filter für vernachlässigbare Auswirkungen auf die Messgenauigkeit. Im Allgemeinen ist eine Filterung des INA219-Eingangs nur dann erforderlich, wenn Transienten bei genauen Harmonischen der Abtastrate von 500 kHz (±30 %) (> 1 MHz) vorhanden sind. Filtern mit möglichst geringem Serienwiderstand und Keramikkondensator. Empfohlene Werte sind 0,1 bis 1 μF. Abbildung 14 zeigt den INA219 mit einem zusätzlichen Filter am Eingang.

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Ist es eine gute Idee, immer einen Rauschfilter einzubauen?

Es hängt von mehreren Faktoren ab:

1. Ihr Verstärkereingangs-Bias-Strom. Wenn Ihr Verstärker eine relativ hohe Eingangsvorspannung hat, fließt etwas Strom in den Verstärker, was die Messgenauigkeit verringert. Die Situation verschlechtert sich, wenn Sie versuchen, niedrige Ströme (μA oder nA) zu messen. Der INA219 hat einen Eingangsruhestrom von 100 nA, sodass das Messen von mehreren zehn mA bis mehreren Ampere gut genug ist.
2. Ihre Rauschfrequenz. Der Tiefpassfilter kann das tieffrequente Rauschen nicht herausfiltern.

Aber ja, das Hinzufügen eines Tiefpassfilters ist im Allgemeinen eine gute Praxis.

Die 10 Ohm mit 100nF erzeugen einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von$f_c = 160 kHz$. Dies ist zu hoch, um die PWM der Stromsteuerung zu filtern (dies wird ungefähr 20 kHz betragen), aber es filtert Rauschen über dieser Frequenz heraus. Ohne die Filterung könnte der Stromregelkreis bei Rauscheinkopplung instabil werden.

Diese Art von RC ist nicht immer ein Filter, sondern wird manchmal verwendet, um den Nullpunkt des Shunts (RL) zu kompensieren.

Der Shunt hat eine sehr kleine parasitäre Induktivität, die signifikant wird, wenn der Shunt-Wert niedrig ist (<5 mOhm). Die parasitäre Induktivität liegt normalerweise zwischen 500 pH und 5 nH, je nach Größe und Herstellung des Shunts.

Die Spannung an den Shunt-Klemmen zeigt einige Spitzen, wenn hohe di/dt auftreten (z. B. Stromzerhackungsanwendung), die einen Kurzschlussdetektor auslösen können.

Die RC-Filter haben hier viel kleinere Frequenzen als der Nullpunkt des Shunts (160 kHz Gleichtakt und 80 kHz Gegentakt aufgrund von C7120), sodass er als Filter verwendet wird.

Edit: Die kleinen Filterwiderstände sind für eine schnelle Konvergenz an den analogen Eingängen notwendig (parasitäre Eingangskondensatoren). 10 Ohm sind viel höher als 20 mOhm, sodass die Widerstände das Signal nicht verändern. In einigen Anwendungen speist das Filter einen ADC, der eine beträchtliche Eingangskapazität (z. B. SAR) haben kann, oder das kleine Shunt-Spannungssignal erfordert eine hohe Verstärkung, damit niedrige Eingangswiderstände thermisches Rauschen reduzieren.