Implementare in modo efficiente il monitoraggio di corrente utilizzando amplificatori di corrente bidirezionali integrati

Il monitoraggio veloce e accurato della corrente è necessario in un numero crescente di applicazioni tra cui veicoli a guida autonoma, automazione di fabbrica e robotica, comunicazioni, gestione della potenza dei server, amplificatori audio in classe D e sistemi medicali. In molte di queste applicazioni, il rilevamento bidirezionale della corrente è essenziale, ma deve essere efficiente e aver costi contenuti.

Mentre è possibile costruire un amplificatore di rilevamento della corrente (CSA) bidirezionale usando una coppia di CSA unidirezionali, può essere un processo complesso e dispendioso in termini di tempo. Comporta l'uso di un amplificatore operazionale rail-to-rail separato per combinare le due uscite in un'uscita a terminazione singola o l'uso di due ingressi di convertitore analogico/digitale (ADC) sul microcontroller, che richiede un'ulteriore codifica del microcontroller e cicli macchina. Infine, la costruzione di un CSA bidirezionale utilizzando due CSA unidirezionali - più i componenti aggiuntivi necessari per integrarli in una soluzione bidirezionale - può occupare più spazio sul circuito e il numero superiore di componenti può ridurre l'affidabilità e aumentare i requisiti di inventario. Il risultato finale può far lievitare i costi e i tempi di progettazione.

Invece, i progettisti possono affidarsi a CSA integrati, ad alta velocità e bidirezionali di precisione. Possono scegliere tra CSA bidirezionali integrati con resistori di shunt a bassa induttanza interni che generano le soluzioni più compatte o CSA che usano shunt di corrente esterni per fornire un design più flessibile e più opzioni di layout.

Questo articolo esamina i requisiti di implementazione dei CSA bidirezionali e i vantaggi di un approccio più integrato. Presenta poi alcuni dispositivi di esempio di STMicroelectronics, Texas Instruments e Analog Devices, compresi i parametri chiave e le caratteristiche di differenziazione. Infine, mostra come iniziare a progettare con questi dispositivi, compresi i relativi progetti di riferimento/kit di valutazione/sviluppo e suggerimenti di progettazione e implementazione.

Come usare due CSA unidirezionali

Un circuito CSA bidirezionale può essere costruito in più modi usando due CSA unidirezionali (Figura 1). MAX4172ESA+T di Analog Devices, usato nell'esempio a sinistra, non include un resistore di carico interno, quindi usa i dispositivi discreti R_a e R_b. Nell'esempio a destra, MAX4173TEUT+T ha un resistore di carico interno da 12 kΩ per convertire l'uscita di corrente in una tensione.

Figura 1: Le applicazioni di rilevamento della corrente bidirezionali che usano due amplificatori di rilevamento di corrente unidirezionali possono essere implementate usando resistori di carico esterni (sinistra) o un resistore di carico interno (destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Mentre non richiede due resistori di carico, il circuito MAX4173TEUT+T aggiunge un condensatore da 1 nF nella retroazione per stabilizzare l'anello di controllo della parte B. In entrambi i casi, le correnti di uscita dai due CSA sono combinate utilizzando un amplificatore operativo MAX4230AXK+T generico.

Entrambi gli approcci hanno un numero di componenti superiore a quello che sarebbe richiesto usando un singolo CSA bidirezionale. Oltre a ciò, il layout della scheda CS è più complesso, poiché entrambi i CSA unidirezionali devono essere collocati in prossimità del resistore V_SENSE.

Esempi di applicazioni con CSA bidirezionali

I CSA bidirezionali sono dispositivi versatili e si trovano in un'ampia gamma di applicazioni. Ad esempio, si possono usare due CSA in un sistema servomotore trifase per determinare le correnti istantanee degli avvolgimenti delle tre fasi, senza ulteriori calcoli o informazioni sulle fasi degli impulsi PWM (modulazione della larghezza di impulso) o sui cicli di lavoro (Figura 2).

Figura 2: In un'applicazione di servomotore trifase, due CSA bidirezionali possono essere collegati attraverso i resistori di rilevamento per la fase 1 (_RSENSEΦ1) e la fase 2 (_RSENSEΦ2) per generare una tensione che rappresenta la corrente nel terzo avvolgimento di fase. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La legge di Kirchhoff afferma che la somma delle correnti nei primi due avvolgimenti è uguale alla corrente nel terzo avvolgimento. Il circuito utilizza due CSA bidirezionali MAX40056TAUA+ per misurare le correnti bifase che vengono sommate nell'amplificatore operazionale MAX44290ANT+T. Dal momento che tutti e tre gli amplificatori hanno la stessa tensione di riferimento, si producono misure raziometriche.

In un altro esempio, si può usare un amplificatore audio di classe D, un singolo CSA bidirezionale come INA253A1IPW di Texas Instruments per misurare accuratamente la corrente di carico di un altoparlante (Figura 3).

Figura 3: Nei progetti audio in classe D, un CSA bidirezionale (INA253) può essere usato per implementare miglioramenti e diagnostica nell'altoparlante. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le misurazioni in tempo reale della corrente di carico dell'altoparlante possono essere utilizzate per la diagnostica e per ottimizzare le prestazioni dell'amplificatore quantificandone i parametri chiave e i relativi cambiamenti, tra cui:

• Resistenza di bobina
• Impedenza dell'altoparlante
• Frequenza di risonanza e impedenza di picco alla frequenza di risonanza
• Temperatura ambiente in tempo reale dell'altoparlante

Suggerimenti per il layout della scheda e considerazioni sullo shunt di corrente

La resistenza e l'induttanza parassite sono un problema quando si implementano circuiti di rilevamento della corrente. Inoltre, la lega saldante in eccesso e la resistenza parassita delle tracce possono provocare errori di rilevamento. Spesso si usano resistori di rilevamento della corrente a quattro terminali. Se un resistore a quattro terminali non è possibile, si dovranno applicare le tecniche di layout scheda Kelvin (Figura 4).

Figura 4: Le tracce di rilevamento Kelvin dovrebbero essere il più vicino possibile alle piazzole di contatto a saldare sul resistore di rilevamento della corrente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Posizionando le tracce di rilevamento Kelvin il più vicino possibile ai punti di contatto a saldare del resistore di rilevamento della corrente si riducono al minimo le resistenze parassite. Un maggior distanziamento delle tracce di rilevamento Kelvin introdurrà un errore di misurazione causato dalla resistenza aggiuntiva della traccia.

La selezione della resistenza di rilevamento è un aspetto importante per ridurre al minimo l'induttanza parassita. Le induttanze del contenitore devono essere ridotte al minimo poiché l'errore di tensione è proporzionale alla corrente di carico. In generale, i resistori a filo avvolto hanno l'induttanza più alta e i dispositivi standard a film metallico hanno induttanze medie. Per le applicazioni di rilevamento della corrente, si raccomandano generalmente i resistori a film metallico a bassa induttanza.

Il valore del resistore di shunt è un compromesso tra la gamma dinamica e la dissipazione di potenza. Per il rilevamento di correnti elevate, si raccomanda di utilizzare uno shunt a basso valore per ridurre al minimo la dissipazione termica (I²R). Nel rilevamento di bassa corrente, può essere usato un valore di resistenza più alto per ridurre al minimo l'impatto della tensione di offset sul circuito di rilevamento.

La maggior parte dei CSA si basa su shunt esterni per misurare la corrente, ma alcuni CSA usano shunt interni. Mentre l'uso di shunt interni può risultare in progetti più compatti con un numero contenuto di componenti, sono soggetti a svariati compromessi tra cui: minor flessibilità poiché il valore dello shunt è predeterminato, una necessità di una corrente di quiescenza superiore rispetto ai CSA esterni e una quantità di corrente misurabile limitata dalle capacità dello shunt interno.

CSA bidirezionali di precisione ad alta tensione

TSC2011IST di STMicroelectronics permette ai progettisti di ridurre al minimo la dissipazione di potenza sfruttando le sue capacità di precisione per utilizzare shunt di corrente esterni a bassa resistenza (Figura 5). Questo CSA bidirezionale è progettato per fornire misurazioni di corrente di precisione in applicazioni come l'acquisizione di dati, il controllo di motori e solenoidi, strumentazione, test e misurazione e il controllo di processo.

Figura 5: TSC2011IST include un pin di spegnimento (SHDN) per massimizzare il risparmio energetico e funziona nell'intervallo di temperatura industriale da -40 a +125 °C. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

TSC2011IST ha un guadagno dell'amplificatore di 60 V/V, un filtro integrato per le interferenze elettromagnetiche (EMI) e 2 kV di tolleranza alle scariche elettrostatiche (ESD) modello corpo umano (HBM) (secondo JEDEC JESD22-A114F). TSC2011 può rilevare una caduta di tensione fino a 10 mV a fondo scala per fornire misure coerenti. Il suo prodotto guadagno-larghezza di banda di 750 kHz e la velocità di variazione di 7,0 V/µs si combinano per assicurare un'alta precisione e una risposta veloce.

I progettisti possono usare la scheda di valutazione STEVAL-AETKT1V2 per iniziare rapidamente a usare TSC2011IST (Figura 6). Può rilevare la corrente su un ampio intervallo di tensioni di modo comune, da -20 a +70 V. Caratteristiche di TSC2011IST:

• Errore di guadagno: 0,3% max
• Deriva di offset: 5 µV/°C max
• Deriva del guadagno: 10 ppm/°C max
• Corrente di quiescenza: 20 µA in modalità di spegnimento

Figura 6: La scheda di valutazione STEVAL-AETKT1V2 include la scheda principale e una scheda figlia contenente TSC2011IST. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Shunt interno bidirezionale CSA

INA253A1IPW di Texas Instruments integra uno shunt di corrente da 2 mΩ, 0,1% a bassa induttanza e supporta tensioni di modo comune fino a 80 V (Figura 7). INA253A1IPW fornisce ai progettisti un circuito di reiezione PWM migliorato per sopprimere segnali dV/dt di grande intensità, consentendo misurazioni di corrente continua in tempo reale per applicazioni come l'azionamento di motori e il controllo di valvole a solenoide (elettrovalvole). L'amplificatore interno presenta una topologia di precisione a deriva zero con rapporti di reiezione di modo comune (CMRR) di >120 dB c.c. CMRR e 90 dB c.a. CMRR a 50 kHz.

Figura 7: Il CSA bidirezionale INA253A1IPW, mostrato qui in un'applicazione tipica, ha uno shunt di corrente interno e può misurare ±15 A di corrente continua da -40 a +85 °C. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I progettisti possono accelerare lo sviluppo di progetti di sistemi basati su INA253A1IPW utilizzando i punti di prova sulla scheda di valutazione INA253EVM associata per accedere ai pin funzionali del CSA (Figura 8). La scheda a due strati misura 61 x 61 mm ed è fabbricata con 28 g di rame.

Figura 8: INA253EVM a due strati misura 61 x 61 mm ed è fabbricata con 28 g di rame. Lo strato inferiore non ha componenti ma contiene un piano di massa solido in rame che fornisce un percorso a bassa impedenza per le correnti di ritorno. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La circuiteria di supporto minima è inclusa nella scheda CS e le funzioni possono essere riconfigurate, rimosse o bypassate a seconda delle necessità. INA253EVM offre le seguenti caratteristiche:

• Tre dispositivi INA253A1IPW
• Facile accesso a tutti i pin
• Layout e costruzione della scheda che supporta ±15 A di corrente attraverso i CSA INA253 nell'intero intervallo di temperatura da -40 a +85 °C
• Segnaposti sulla scheda CS per configurazioni diverse da quella predefinita

Lo strato inferiore non ha componenti ma contiene un piano di massa solido in rame che fornisce un percorso a bassa impedenza per le correnti di ritorno.

CSA bidirezionale qualificato AEC-Q100

Per monitorare le correnti nei controlli motore a ponte intero, negli alimentatori a commutazione, nei solenoidi e nelle batterie, nonché nelle applicazioni automotive, i progettisti possono utilizzare LT1999IMS8-20#TRPBF di Analog Devices (Figura 9).

Figura 9: LT1999IMS8-20#TRPBF è un CSA bidirezionale in un'applicazione di monitoraggio di corrente di armatura a ponte intero. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF è qualificato AEC-Q100 per applicazioni automotive e include una modalità di spegnimento per ridurre al minimo il consumo energetico. Il dispositivo utilizza uno shunt esterno per misurare sia la direzione che la quantità di corrente e produce una tensione di uscita proporzionale referenziata a metà strada tra la tensione di alimentazione e la terra. I progettisti hanno la possibilità di applicare una tensione esterna per impostare il livello di riferimento.

LT1999IMS8-20#TRPBF passa allo stato di spegnimento a bassa potenza che assorbe circa 3 μA quando V_SHDN (pin 8) scende entro 0,5 V da terra. I pin di ingresso (+IN e -IN) assorbono circa 1 nA se sono polarizzati nell'intervallo da 0 a 80 V (senza tensione differenziale applicata). La suscettività EMI è ridotta da un filtro di soppressione EMI differenziale di 1^o ordine interno che aiuta a respingere i segnali ad alta frequenza oltre la larghezza di banda del dispositivo.

Per sperimentare con la serie LT1999, Analog Devices fornisce la scheda dimostrativa 1698A. La scheda amplifica la caduta di tensione attraverso un resistore di rilevamento della corrente e produce una tensione di uscita bidirezionale proporzionale alla corrente che attraversa il resistore. I progettisti possono scegliere una di tre opzioni di guadagno fisso: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) e 50 V/V (DC1698A-C).

CSA bidirezionale con reiezione PWM

Per una migliore reiezione PWM di ingresso di modo comune nei progetti che controllano carichi induttivi come solenoidi e motori, i progettisti possono utilizzare MAX40056TAUA+ (Figura 10). Menzionato in precedenza nel contesto della Figura 2, MAX40056TAUA+ è un CSA bidirezionale che può gestire velocità di variazione di ±500 V/µs e superiori. Ha un CMRR tipico di 60 dB (50 V, ingresso ±500 V/µs) e 140 dB c.c. L'intervallo di modo comune va da -0,1 a +65 V e include la protezione contro le tensioni di contraccolpo induttivo fino a -5 V.

Figura 10: MAX40056TAUA+ include un riferimento interno a 1,5 V, reiezione PWM migliorata e un comparatore a finestra integrato per rilevare condizioni di sovracorrente sia positive che negative (in basso a sinistra, comandato dall'ingresso CIP). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

MAX40056TAUA+ ha un riferimento interno di 1,5 V utile per molteplici scopi, tra cui:

• Pilotare un convertitore analogico digitale differenziale
• Creare l'offset dell'uscita per mostrare la direzione della corrente rilevata
• Fornire la corrente a carichi esterni per mitigare le riduzioni di prestazioni

Quando servono oscillazioni dell'uscita a fondo scala più elevate o per tensioni di alimentazione superiori a 3,3 V, i progettisti possono escludere il riferimento interno con un riferimento di tensione esterno più elevato. Infine, i progettisti possono utilizzare il riferimento interno o esterno per impostare la soglia di intervento del comparatore di sovracorrente integrato, fornendo un segnale immediato in caso di un guasto da sovracorrente.

Il kit di valutazione MAX40056EVKIT# per MAX40056TAUA+ fornisce una piattaforma collaudata per lo sviluppo di applicazioni CSA bidirezionali ad alta precisione e alta tensione, come gli azionamenti a solenoide e i controlli dei servomotori.

Conclusione

Il monitoraggio veloce e accurato della corrente è necessario in molte applicazioni tra cui automotive, automazione di fabbrica e robotica, gestione della potenza dei server, amplificatori audio in classe D e sistemi medicali. In molti casi, il rilevamento della corrente bidirezionale è necessario.

Fortunatamente, i progettisti possono scegliere tra una varietà di CSA bidirezionali integrati - e le loro piattaforme di sviluppo associate - per implementare in modo rapido ed efficiente il monitoraggio di corrente bidirezionale veloce e preciso.

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