Utiliser des amplificateurs optimisés pour la détection de courant fiable et précise dans les systèmes automobiles

Les systèmes électroniques étant de plus en plus répandus dans les applications automobiles, la mesure continue en temps réel du flux de courant est essentielle pour surveiller les conditions de surintensité imminentes, signaler les défauts et les dysfonctionnements des circuits et des systèmes, et fournir un signal de retour continu pour optimiser les performances de la boucle de commande.

Bien qu'il existe plusieurs techniques et composants pour mesurer le flux de courant, la méthode conceptuellement simple consistant à mesurer la chute de tension dans une résistance (de détection) shunt est l'une des plus utilisées. Elle offre exactitude, précision, répétabilité, simplicité d'utilisation, compacité, flexibilité et adaptabilité.

Cette résistance de détection peut être placée entre le rail d'alimentation et la charge (détection haut potentiel) ou entre la charge et la masse (détection bas potentiel). Chaque configuration présente des compromis en termes de performances, d'impact sur le flux de courant détecté et d'exigences sur l'amplificateur de tension placé aux bornes de la résistance, entre autres facteurs. L'amplificateur de détection de courant (CSA) associé doit présenter des attributs critiques spécifiques à l'application pour fonctionner de manière optimale dans ce rôle, en particulier compte tenu de l'environnement de fonctionnement automobile difficile.

Cet article examine la détection de courant haut potentiel et bas potentiel, ainsi que les problèmes auxquels sont confrontés les concepteurs dans chaque cas. Il présente ensuite une gamme d'amplificateurs de détection de courant d'onsemi et explique comment elle peut être utilisée pour résoudre bon nombre de ces problèmes.

Les deux configurations de résistance de détection

La détection de tension dans une résistance fixe de valeur connue placée en ligne avec la charge permet de déterminer le courant par application directe de la loi d'Ohm : courant = tension/résistance (I = V/R). Bien que le placement côté bas potentiel (Figure 1, à gauche) par rapport au côté haut potentiel (Figure 1, à droite) de la résistance de détection n'affecte pas directement l'intégrité de la mesure, il a de nombreuses implications au niveau du système.

Figure 1 : Détection de courant basée sur une résistance côté bas potentiel (à gauche) avec la résistance placée entre la charge et la masse, et détection côté haut potentiel (à droite) avec la résistance placée entre le rail d'alimentation et la charge. (Source de l'image : onsemi)

Cette résistance de détection est appelée résistance shunt, mais à tort. Une véritable résistance shunt est placée en parallèle avec la charge, de sorte qu'une partie du courant est déviée autour de la charge et à travers la résistance. Cependant, la résistance de détection de courant, en utilisation standard, est en réalité placée en série avec la charge et ne la shunte pas. Néanmoins, le terme « résistance shunt » est universellement utilisé.

La détection bas potentiel est conceptuellement l'approche la plus directe, une extrémité de la résistance étant connectée à la masse et l'autre au bas potentiel de la charge. Elle présente plusieurs avantages :

• La tension dans la résistance est référencée à la masse.
• La tension dans la résistance aux deux bornes de l'amplificateur (tension de mode commun) est faible.
• Il est relativement facile de l'intégrer dans un circuit à alimentation unique.

Cependant, la détection bas potentiel présente des complications inévitables :

• La charge n'est plus mise à la terre, ce qui peut avoir des implications importantes au niveau du système et affecter les performances de toutes les boucles de commande qui utilisent la valeur de courant détectée.
• Un court-circuit accidentel entre la charge et la terre peut activer la charge.
• La configuration de détection peut provoquer des boucles de masse.
• Un fort courant de charge dû à un court-circuit ne sera pas détecté.

La détection haut potentiel place la résistance entre la source de courant et la masse, offrant les avantages suivants :

• La charge est mise à la terre, ce qui constitue un avantage majeur et souvent une exigence de sécurité.
• Le corps de la charge, tel qu'un moteur, peut être connecté physiquement et électriquement au châssis du système en tant que masse commune.
• Il est inutile d'ajouter une résistance au chemin de terre de la charge mesurée.
• La charge n'est pas alimentée même en cas de court-circuit au niveau de la connexion électrique.
• Il est possible de détecter un court-circuit entre la ligne d'alimentation positive et la masse.

Cependant, la détection haut potentiel présente des inconvénients :

• L'amplificateur de détection de courant doit tolérer une tension de mode commun (CMV) d'entrée élevée et des transitoires de mode commun rapides ; le dépassement de ses limites peut dégrader les performances et potentiellement endommager l'amplificateur.
• La tension détectée dans la résistance doit être adaptée à la tension de fonctionnement système pour la mesure et l'utilisation.
• En général, la mise en œuvre de la configuration nécessaire du circuit est plus compliquée.

Comme toujours, le choix de la meilleure solution implique d'évaluer les compromis techniques. Cependant, dans de nombreuses situations, la détection haut potentiel est la seule option viable.

Prenons l'exemple d'une automobile et de ses nombreuses charges électriques, telles que les moteurs. Une voiture moderne typique possède au moins 30 moteurs pour des fonctions auxiliaires telles que les commandes automatiques des vitres et de position des sièges. Nombre d'entre eux sont physiquement montés sur le châssis ou sur des supports de la voiture, qui servent également de mise à la terre électrique.

Bien qu'il soit possible d'isoler électriquement ces charges des éléments structurels du véhicule, cela s'avère difficile dans la pratique. Cela requiert une autre pièce dans la nomenclature (BOM), une autre étape de fabrication, et l'isolation peut s'user avec le temps ou être omise par inadvertance lors du remplacement d'une pièce. De même, un mécanicien peut brièvement mettre en contact le corps du moteur avec le châssis et court-circuiter ce circuit.

Les mêmes considérations s'appliquent aux charges non liées au moteur, telles que les fonctions des systèmes d'aide à la conduite (ADAS), les sous-systèmes de sécurité et de collision, les alarmes et la console de divertissement et de connectivité. De plus, avec une charge non mise à la terre, le faisceau de câbles de retour de la charge à la batterie est plus complexe et sujet aux défaillances ou aux erreurs humaines.

Une solution d'amplificateur optimisée

Dans les cas où la détection haut potentiel est obligatoire ou privilégiée, un amplificateur spécifique à l'application est la solution. Un exemple est l'amplificateur de détection de courant qualifié automobile AEC-Q100 NCV7030DM2G014R2G (Figure 2) de la gamme NCV7030 d'onsemi.

Figure 2 : L'amplificateur de détection de courant NCV7030DM2G014R2G est conçu pour la détection de courant haut potentiel dans les environnements automobiles. (Source de l'image : onsemi)

Fourni en boîtier sans plomb Micro8 (3 mm × 3 mm) ou SOIC-8 (4 mm × 5 mm) (NCV7030D2G014R2G), le dispositif fonctionne de 3 V à 5,5 V et a un courant de repos typique de 1,5 mA.

La gamme NCV7030 offre un taux de réjection du mode commun (TRMC) d'entrée élevé de 85 dB (minimum) et une plage de tensions d'entrée de mode commun de -6 V à 80 V (fonctionnement) et de -14 V à 85 V (survie). Elle permet d'effectuer des mesures de courant unidirectionnel dans une résistance de détection et fournit un gain fixe de 14 V/V avec une erreur de gain de ±0,3 % maximum sur toute sa plage de températures, une spécification importante dans l'environnement automobile difficile.

Les amplificateurs NCV7030 offrent bien plus qu'une réjection de mode commun élevée. Chaque dispositif se compose d'un préamplificateur et d'un tampon, avec accès à la sortie et à l'entrée, respectivement, via les broches de « pontage » A1 et A2 pour implémenter un circuit de filtrage intermédiaire ou modifier le gain.

De plus, un bon amplificateur de détection de courant ne se limite pas au maintien des performances malgré une tension de mode commun élevée. Les dispositifs NCV7030 présentent un taux de réjection de l'alimentation (PSRR) élevé de 75 dB (minimum), garantissant un fonctionnement fiable même en environnements bruyants. Leur faible tension de décalage d'entrée de ±300 µV (maximum), ainsi que leur dérive de température minimale, en font un choix idéal pour les applications de précision. De plus, une bande passante de 100 kHz leur permet de réagir aux variations rapides de courant.

En raison de la faible tension de décalage d'entrée, la sortie des amplificateurs de détection de courant NCV7030 reste à moins de 50 mV de la masse lorsqu'aucun courant ne circule dans la résistance shunt. Lorsque le courant circule, la sortie présente une excursion positive jusqu'à 100 mV de la tension d'alimentation appliquée. Cette large plage améliore le rapport signal/bruit (SNR) de la tension détectée.

Il existe une restriction opérationnelle mineure. Les amplificateurs NCV7030 étant référencés en interne à la masse, ils ne peuvent donc mesurer que le courant circulant dans un seul sens. Il ne s'agit pas d'une restriction grave, car les alimentations par batterie et la plupart des alimentations bipolaires ne présentent qu'un flux de courant unidirectionnel.

Pour simplifier la conception, les dispositifs peuvent être connectés à la même alimentation que celle qu'ils surveillent. S'il est nécessaire de détecter un courant de court-circuit sur l'alimentation de la charge, un événement pouvant entraîner une chute de tension de l'alimentation de la charge à près de 0 V, une alimentation séparée doit être utilisée.

Les dispositifs NCV7030 « tels quels » fournissent une amplification à gain fixe sans composants supplémentaires, mais certaines applications peuvent nécessiter un gain plus élevé ou plus faible. L'architecture de ces amplificateurs répond à cette exigence via les broches A1 et A2.

Pour un gain plus faible, la connexion de A1 à A2 et l'ajout d'une résistance (R_EXT) de ce réseau à la masse forment un réseau diviseur de résistance avec la résistance interne de 100 kΩ (Figure 3).

Figure 3 : L'ajout d'une seule résistance externe (R_EXT) forme un réseau diviseur de résistance avec la résistance interne de 100 kΩ pour réduire le gain des amplificateurs NCV7030. (Source de l'image : onsemi)

Inversement, le gain peut être augmenté en ajoutant une résistance externe dans une configuration de rétroaction positive (Figure 4). Dans les deux cas de gain, des formules algébriques simples relient la valeur de la résistance externe aux valeurs de gain réduites ou augmentées souhaitées.

Figure 4 : L'insertion d'une résistance externe dans la boucle de rétroaction d'un amplificateur NCV7030 augmente le gain. (Source de l'image : onsemi)

Qu'en est-il du filtrage ?

De nombreuses applications de détection de courant, telles que les installations automobiles et industrielles, sont intrinsèquement bruyantes. Le bruit peut dégrader l'intégrité du signal de courant détecté et de la tension de sortie de l'amplificateur associé. La faible tension dans la résistance de détection accentue les problèmes liés au bruit.

Pourquoi cette tension est-elle basse ? Le dimensionnement de la résistance de détection implique des compromis. D'une part, une résistance de valeur plus élevée entraîne une chute de tension plus importante et donc une amplitude de signal plus grande, ce qui améliore le rapport signal/bruit et la résolution. En revanche, cette résistance de valeur plus élevée gaspille plus d'énergie, génère plus de chaleur et a un effet négatif plus important sur la boucle de charge.

Dans de nombreuses applications, la règle empirique consiste à dimensionner la résistance pour une chute d'environ 100 mV, à titre de compromis. Cette valeur signifie que la résistance est souvent de seulement 1 mΩ ou moins, et donc que les connexions associées entrent dans le calcul de chute de tension et de tension détectée.

L'entrée différentielle réelle des dispositifs NCV7030 convient aussi bien aux shunts de connexion Kelvin à quatre fils qui réduisent le bruit qu'aux shunts à deux fils conventionnels. De plus, l'entrée différentielle réelle rejette le bruit de mode commun, qui est souvent présent même dans la détection de courant bas potentiel.

Certaines applications peuvent nécessiter un filtrage à l'entrée de l'amplificateur de détection de courant. Cela est facilement réalisable en ajoutant deux résistances (R_FILT) et un condensateur (C_FILT) entre la résistance shunt et les entrées de l'amplificateur (Figure 5).

Figure 5 : Pour le filtrage d'entrée, seules deux résistances (R_FILT) adaptées et un condensateur (C_FILT) sont nécessaires à l'entrée de l'amplificateur de détection de courant. (Source de l'image : onsemi)

Il convient de noter qu'un tel filtrage d'entrée est compliqué par la résistance ajoutée des résistances de filtrage et le déséquilibre de résistance qui en résulte, ce qui peut avoir un effet négatif sur le gain, le TRMC et la tension de décalage d'entrée. La fiche technique explique comment sélectionner ces valeurs ainsi que leurs effets.

Même si le filtrage d'entrée n'est pas nécessaire, le filtrage de la sortie de l'amplificateur peut être requis. Ce filtrage est facilement mis en œuvre grâce à l'architecture interne « divisée » des amplificateurs NCV7030. Un filtre passe-bas peut être créé en connectant A1 et A2 et en ajoutant un condensateur entre la configuration et la masse (Figure 6, à gauche). Cela crée un filtre RC (résistance-condensateur) unipolaire simple utilisant la résistance interne de 100 kΩ, offrant une atténuation de 20 dB/décade. Si une atténuation plus importante est nécessaire, un filtre Sallen-Key bipolaire avec une atténuation de 40 dB/décade peut être créé en ajoutant deux condensateurs externes et une seule résistance (Figure 6, à droite).

Figure 6 : Un seul condensateur placé entre A1/A2 et la masse permet d'obtenir un filtre unipolaire (à gauche) avec une atténuation de 20 dB/décade. L'ajout d'une résistance et d'un condensateur supplémentaires permet de créer un filtre bipolaire avec une atténuation de 40 dB/décade (à droite). (Source de l'image : onsemi)

Conclusion

La détection de courant haut potentiel, où une résistance de faible valeur est insérée entre la source et la charge, est une technique standard pour déterminer le paramètre de courant de charge critique dans de nombreuses applications, y compris les circuits automobiles. Bien qu'efficace, cette approche présente des défis quant aux performances de l'amplificateur de détection de courant associé. Comme illustré, la gamme d'amplificateurs NCV7030 d'onsemi est optimisée pour cette application spécifique, avec une tolérance CMV élevée et une conception à deux étages offrant un gain fixe et ajustable par l'utilisateur, ainsi qu'une possibilité de filtrage à l'entrée et à la sortie.