Come selezionare e applicare le tecnologie intelligenti di rilevamento e monitoraggio della corrente (al posto dei fusibili)

Tradizionalmente, per proteggere un sistema da una condizione di sovracorrente si utilizzavano i fusibili in linea. Questi componenti sono essenzialmente resistori che si riscaldano e si fondono quando sono attraversati da una corrente eccessiva, causando l'apertura di un circuito e interrompendo il flusso di corrente. Tuttavia, i fusibili sono una soluzione grezza e sostituirli può causare lungaggini e costi superiori, specialmente se installati in posizioni remote.

Una soluzione più sofisticata è quella di monitorare la corrente in tempo reale per rilevare potenziali situazioni di sovracorrente prima che si verifichino e quindi adottare appropriate misure preventive. In questo articolo daremo uno sguardo ai principi e ai componenti alla base di un sistema di rilevamento di sovracorrente, alle fonti di errore e a come evitarle, oltre a qualche esempio pratico.

Tecniche di monitoraggio della corrente

Esistono molte tecniche per monitorare la corrente funzionali al tipo (c.a. o c.c.) e alla grandezza della corrente da misurare.

Nella misurazione diretta, la corrente sotto osservazione passa attraverso il dispositivo di misurazione che può essere un resistore di shunt o un transistor. Questo metodo costituisce una soluzione compatta e a basso costo, precisa e, quando possibile, generalmente preferita.

Molte applicazioni richiedono però la misurazione della corrente indiretta che garantisce isolamento galvanico tra il conduttore percorso dalla corrente e il dispositivo di misurazione. Il metodo indiretto misura un parametro correlato alla corrente, ad esempio il campo magnetico indotto in una bobina.

Questa tecnica garantisce un'alta precisione, ma è troppo complessa e costosa per essere presa in considerazione come sostituta dei fusibili per la maggior parte delle applicazioni di questo tipo. Qui invece ci occuperemo dei metodi di misurazione diretta per mezzo di un resistore di rilevamento corrente o un MOSFET di potenza come elemento sensibile.

Ovviamente l'aggiunta di un altro livello di complessità può far lievitare i costi della distinta base, ma in alcuni casi i circuiti possono già essere disponibili, come la capacità non utilizzata dei microcontroller che possono essere usati per aggiungere questa funzione con una spesa minima. In altri casi, tenendo conto del costo totale di proprietà (TCO), il costo aggiuntivo può valere la pena se ad esempio evita il viaggio in una postazione lontana per sostituire un fusibile.

Misurazione diretta tramite un resistore di rilevamento corrente

L'approccio più semplice per la misurazione diretta è quello con un resistore di rilevamento corrente tramite shunt (serie). Questo metodo ha il vantaggio della semplicità e della linearità. La tensione attraverso il resistore rappresenta la grandezza della corrente secondo la legge di Ohm V = I x R.

Per applicazioni di precisione per correnti elevate, ad esempio nella gestione delle batterie di veicoli, Vishay offre resistori di shunt come WSBS8518L1000JK, come componente a se stante o integrato in un contenitore stampato (WSBM8518L1000JK) per una facile connessione su scheda di circuiti stampati (Figura 1).

Figura 1: L'approccio più semplice per la misurazione diretta è quello con un resistore di rilevamento corrente tramite shunt (serie) come WSBS8515L100JK, il resistore di shunt di precisione a se stante (in alto) o nel suo contenitore (in basso) offerto da Vishay Dale. (Immagine per gentile concessione di Vishay Dale)

Il contenitore integra una presa femmina a 4 pin idonea per un connettore standard Molex. La resistenza può essere di soli 100 µΩ, con induttanza inferiore a 5 nH e coefficienza di resistenza alla temperatura (TCR) di meno di ±20 ppm/ºC.

Rilevamento high-side e low-side

Quando si utilizza un resistore di shunt, è possibile inserirlo tra il carico e il ritorno (rilevamento low-side) o tra il carico e l'alimentazione (rilevamento high-side). Il rilevamento low-side ha il vantaggio della semplicità e del basso costo, dato che il resistore usa la terra come riferimento e può essere bufferizzato con un amplificatore operazionale standard. Lo svantaggio è che questo metodo non può rilevare un circuito aperto o chiuso sul low side del carico. La resistenza dello shunt inoltre si somma a quella nel percorso di terra, il che può essere inaccettabile per alcune applicazioni.

Il rilevamento high-side non introduce nessun disturbo relativo alla terra, ma ha una tensione di modo comune a entrambi i lati del resistore di shunt che può superare l'intervallo di modo comune di un amplificatore operazionale standard o andare oltre la sua tensione di alimentazione.

Resistore di shunt in CI

Esistono molti CI espressamente progettati per rilevare condizioni di sovracorrente, ad esempio il comparatore INA300 di Texas Instruments. INA300 funziona con un'alimentazione a 5 V ma può accettare una tensione di modo comune fino a 36 V. La soglia di sovracorrente è regolabile e può essere impostata per mezzo di un convertitore digitale/analogico (DAC) o un resistore esterno. Il tempo di risposta può variare tra 10 μs e 100 μs. Il pin di uscita di allarme può seguire lo stato dell'ingresso (modo trasparente) o con latch che segue la condizione di sovracorrente. In modalità latch, il microcontroller del sistema ripristina il latch per confermare la ricezione dell'allarme.

Figura 2: INA300 di Texas Instruments offre protezione da sovracorrente ed è dotato di numerose funzioni, tra cui il tempo di risposta e la tensione di soglia programmabili. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Sebbene qualsiasi applicazione di controllo della corrente possa integrare il rilevamento di sovracorrente confrontando la corrente a un valore di riferimento internamente al microcontroller di sistema, alcune applicazioni, come i dispositivi di comando di motori industriali e i convertitori c.c., possono richiedere un rilevamento ad alta velocità per evitare danni ai componenti a valle.

La Figura 3 illustra un sistema di controllo della corrente con un circuito di protezione separato ad alta velocità. AD8211 di Analog Devices amplifica la tensione attraverso il resistore di shunt e fornisce il segnale di feedback all'anello di controllo. Questo dispositivo offre una reiezione di modo comune fino a 65 V, è dotato di riferimento di terra, uscita bufferizzata idonea per la connessione di un convertitore analogico/digitale (ADC).

Figura 3: AD8211 e AD8214 abbinati per formare un sistema di rilevamento e monitoraggio della corrente in grado di rispondere a una condizione di sovracorrente in meno di 100 ns. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices Inc.)

La funzione di protezione è fornita da un altro componente di Analog Devices, AD8214. Si tratta di un comparatore a shunt di corrente, alta tensione di modo comune e risposta rapida, in grado di fornire un segnale di rilevamento della sovracorrente in soli 100 ns. AD8214 è dotato di un regolatore Zener interno che ne consente il funzionamento con una tensione fino a 65 V.

Fonti di errore

Per applicazioni a bassa corrente è possibile ridurre i costi usando un resistore di potenza standard come shunt per misurare la corrente, ma la tolleranza dello shunt influenza direttamente la precisione del rilevamento della sovracorrente. Un valore maggiore del resistore aumenta la grandezza del segnale, ma genera anche più calore e potrebbe dare origine a costi extra nel caso si rendesse necessario un dissipatore di calore o un altro metodo simile.

Se il resistore di shunt è destinato all'uso in un sistema di controllo, come mostrato in Figura 3, il segnale di tensione avrà un'ampia gamma dinamica, per questo è preferibile un resistore di precisione con bassa tolleranza e basso coefficiente di temperatura della resistività (TCR).

Rilevamento della corrente basato su RDSon

Un altro modo di rilevare una condizione di sovracorrente è quello di eliminare il resistore di shunt e usare un MOSFET di potenza come elemento sensibile. La Figura 4 illustra il driver MOSFET Infineon AUIR3200S che include protezione da cortocircuito.

Figura 4: Il driver MOSFET AUIR3200S integra rilevamento di sovracorrente e compensazione della temperatura. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technology)

Questo dispositivo rileva la caduta di tensione attraverso il FET di potenza usando la funzione della corrente di carico e l'RDS_(ON) del FET. Quando il MOSFET passa a ON, la tensione alla fonte V_S è data da:

V_S viene immessa nel pin di sorgente (S) di AUIR3200S, dove viene confrontata a una tensione di riferimento V_DS.

I_VDS è impostata a 1 mA con una fonte di corrente interna, quindi R_VDS determina effettivamente il valore di V_DS. V_BAT può variare, soprattutto in applicazioni automotive, ma non influenza il confronto delle due tensioni.

Quando si verifica una condizione di sovracorrente, V_S supera V_DS e ciò attiva il comparatore interno e spegne il MOSFET.

Per ridurre gli errori, per R_VDS occorre scegliere un valore di bassa tolleranza. Il valore di RDS_(ON) di un MOSFET di potenza è relativamente insensibile alla corrente di drain ma aumenta con l'aumentare della TJ (temperatura di giunzione). Per compensare, nella sorgente di corrente I_VDS di AUIR3200S è previsto un coefficiente di temperatura positivo. Va notato che AUIR3200S dovrebbe essere montato quanto più vicino possibile al MOSFET per aiutare ad equalizzare le temperature dei due componenti.

Misurazione diretta in applicazioni ad alta corrente

Per applicazioni ad alta corrente, il resistore di shunt potrebbe non essere idoneo a causa dell'eccessivo sviluppo di calore, specialmente in ambienti già caldi come per i moduli destinati al vano motore di veicoli. In questi casi la soluzione può essere un MOSFET a condivisione di corrente che garantisce un metodo a bassa perdita per la misurazione della corrente.

Come funziona un MOSFET a condivisione di corrente? I moderni MOSFET di potenza sono costituiti da migliaia di celle transistor identiche connesse in parallelo per ridurre al minimo la resistenza totale nello stato On (RDSon). Un MOSFET di rilevazione della corrente si avvale di una piccola parte di queste celle in parallelo per dare origine a un secondo MOSFET di bassa potenza (a volte denominato senseFET) che è isolato dal dispositivo di potenza, con drain e gate comuni ma una sorgente separata che viene espressa tramite un pin SENSE. La Figura 5 mostra il circuito equivalente.

Figura 5: Circuito equivalente di un MOSFET di rilevamento di corrente che può essere utilizzato per la misurazione diretta in applicazioni ad alta corrente. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

Quando il transistor di potenza principale è ON, il pin SENSE eroga una corrente I_SENSE che è proporzionale a quella di Iload: un rapporto tipico è 1:500 o 0,2%.

La Figura 6 illustra un tipico circuito utilizzato con un MOSFET di rilevamento di corrente. Un circuito a doppio amplificatore operazionale converte I_SENSE in un ingresso di tensione per il microcontroller di sistema.

Figura 6: Interfacciamento di un MOSFET a condivisione di corrente con un microcontroller di sistema. (Immagine per gentile concessione di NXP Semiconductors)

IXTN660N04T4 di IXYS è un esempio di FET di rilevamento di corrente a canale N per applicazioni ad alta corrente. Questo dispositivo può gestire una corrente di drain fino a 660 A.

La precisione del circuito di monitoraggio della corrente dipende dalla tolleranza di R_SENSE, ma come sostituto dei fusibili 5% o 10% è più che adeguato. L'uscita di rilevamento di un FET tipico di rilevamento di corrente ha una variazione di ±5%, ma comunque le sue prestazioni sono più che adeguate per situazioni di sovracorrente e cortocircuiti. Il segnale di corrente V_OUT nella Figura 6 è di natura analogica e si connette all'ingresso di un convertitore analogico/digitale (ADC), ma il circuito esterno può facilmente essere modificato per generare un segnale digitale di sovracorrente.

Conclusione

Per la protezione da cortocircuito e da sovracorrente, i progettisti dispongono di molte opzioni oltre ai semplici fusibili. Anche se rendendo il sistema più complesso si potrebbe aumentare il costo della distinta base, nel costo totale di proprietà (TCO) questo piccolo sovrapprezzo potrebbe essere giustificato e potrebbe diminuire il costo totale nel lungo periodo.