Utilizzo di amplificatori ottimizzati per il rilevamento di corrente automotive affidabile e preciso

Con i sistemi elettronici sempre più diffusi nelle applicazioni automotive, la misurazione continua del flusso di corrente in tempo reale è fondamentale per monitorare le condizioni imminenti di sovracorrente, segnalare guasti e malfunzionamenti di circuiti e sistemi e fornire un segnale di feedback continuo per ottimizzare le prestazioni dell'anello di controllo.

Esistono vari componenti e tecniche per la misurazione del flusso di corrente; uno dei più utilizzati è il metodo concettualmente semplice di misurare la caduta di tensione attraverso un resistore shunt (di rilevamento). Questo metodo offre accuratezza, precisione, ripetibilità, praticità, dimensioni compatte, flessibilità e adattabilità.

Questo resistore di rilevamento può essere collocato tra il rail di alimentazione e il carico (rilevamento high-side) o tra il carico e la massa (rilevamento low-side). Ciascuna di queste disposizioni offre compromessi in termini di prestazioni, di impatto sul flusso di corrente rilevato e di requisiti dell'amplificatore di tensione posto attraverso il resistore, tra gli altri fattori. L'amplificatore per rilevamento di corrente (o CSA) associato deve possedere caratteristiche critiche specifiche dell'applicazione per funzionare in modo ottimale in questo ruolo, in particolare in considerazione del difficile ambiente operativo del settore automotive.

Questo articolo esamina il rilevamento di corrente high-side e low-side e i problemi che i progettisti devono affrontare con ciascuno di questi. Viene quindi presentata una famiglia di CSA di onsemi e viene spiegato come può essere utilizzata per risolvere molti di questi problemi.

Le due configurazioni di sensore-resistore

Il rilevamento della tensione attraverso un resistore fisso di valore noto posto in linea con il carico consente di determinare la corrente mediante l'applicazione diretta della legge di Ohm: corrente = tensione/resistenza (I = V/R). Sebbene non influisca direttamente sull'integrità della lettura, il posizionamento del resistore di rilevamento low-side (Figura 1, a sinistra) o high-side (Figura 1, a destra) ha molte implicazioni a livello di sistema.

Figura 1: Rilevamento di corrente basato su resistore low-side (a sinistra) con il resistore posizionato tra carico e massa e rilevamento high-side con resistore tra rail di alimentazione e carico (a destra). (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Questo resistore di rilevamento viene chiamato resistore di shunt, ma in modo improprio. Un vero resistore di shunt viene posizionato in parallelo rispetto al carico, in modo che parte della corrente venga deviata intorno al carico e attraverso il resistore. Tuttavia, il resistore di rilevamento della corrente nell'accezione standard è in realtà posizionato in serie con il carico e non in derivazione. Tuttavia, il termine "resistore di shunt" è universalmente utilizzato.

Il rilevamento low-side è concettualmente l'approccio più diretto, con un'estremità del resistore collegata a massa e l'altra sul lato basso del carico. Questo metodo offre alcuni chiari vantaggi:

• La tensione attraverso il resistore è riferita alla massa.
• La tensione attraverso il resistore su entrambi i terminali dell'amplificatore (tensione di modo comune) è bassa.
• È relativamente facile da progettare in un circuito ad alimentazione singola.

Tuttavia, il rilevamento low-side presenta alcune complicazioni inevitabili:

• Il carico non è più collegato a terra, il che può avere implicazioni significative a livello di sistema e influire sulle prestazioni di eventuali anelli di controllo che utilizzano il valore di corrente rilevato.
• Un cortocircuito accidentale tra il carico e la massa può attivare il carico.
• Questo metodo di rilevamento può causare anelli di massa.
• Un'alta corrente di carico dovuta a un cortocircuito non viene rilevata.

Nel rilevamento high-side il resistore viene collocato tra la sorgente di corrente e la massa, offrendo i seguenti vantaggi:

• Il carico è collegato a massa, il che rappresenta un grande vantaggio e spesso un requisito di sicurezza.
• Il corpo del carico, ad esempio un motore, può essere collegato fisicamente ed elettricamente al telaio del sistema come messa a terra comune.
• Evita di aggiungere resistenza al percorso di terra del carico misurato.
• Il carico non viene alimentato anche in caso di cortocircuito sul collegamento di alimentazione.
• È in grado di rilevare un cortocircuito dalla linea di alimentazione positiva alla massa.

Il rilevamento high-side presenta però anch'esso degli svantaggi:

• Il CSA deve tollerare una elevata tensione di modo comune (CMV) in ingresso e rapidi transitori di modo comune; il superamento dei suoi limiti può causare il deterioramento delle prestazioni e potenzialmente danneggiare l'amplificatore.
• La tensione rilevata attraverso il resistore deve essere traslata alla tensione di funzionamento del sistema per poter essere misurata e utilizzata.
• In generale, l'implementazione della configurazione circuitale necessaria è più complicata.

Come sempre, la decisione su quale sia il metodo migliore comporta la valutazione di compromessi tecnici. Tuttavia, ci sono molte situazioni in cui il rilevamento high-side è l'unica scelta possibile.

Si pensi, ad esempio, all'automobile e ai suoi numerosi carichi elettrici, come i motori. Una tipica auto moderna ha almeno 30 motori per funzioni accessorie come i comandi automatici dei finestrini e della posizione dei sedili. Molti di questi sono fisicamente montati sul telaio dell'auto, su staffe di supporto o sullo chassis, che fungono anche da messa a terra elettrica.

Sebbene sia possibile isolare elettricamente questi carichi dagli elementi strutturali del veicolo, nella pratica è difficile farlo. Occorre un altro componente in distinta base, un altro passaggio nel processo di produzione e l'isolamento può usurarsi nel tempo o essere inavvertitamente dimenticato durante la sostituzione di un pezzo. Inoltre, un meccanico potrebbe inavvertitamente creare un breve contatto fisico diretto tra il corpo del motore e il telaio, provocando così un cortocircuito.

Le stesse considerazioni valgono per i carichi diversi dai motori, come le funzioni dei sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), i sottosistemi di sicurezza e anticollisione, gli allarmi e la console per l'intrattenimento e la connettività. Inoltre, con un carico non collegato a terra, il cablaggio del cavo di ritorno dal carico alla batteria è più complicato e soggetto a guasti o errori umani.

Una soluzione di amplificazione ottimizzata

Per le situazioni in cui il rilevamento high-side è obbligatorio o preferibile, la soluzione è un amplificatore specifico per l'applicazione. Un esempio è il CSA NCV7030DM2G014R2G (Figura 2) della famiglia NCV7030 di onsemi, qualificato automotive AEC-Q100.

Figura 2: Il CSA NCV7030DM2G014R2G è progettato per il rilevamento della corrente high-side in ambienti automotive. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Disponibile in un contenitore senza piombo Micro8 (3 × 3 mm) o SOIC-8 (4 × 5 mm) (NCV7030D2G014R2G), il dispositivo funziona da 3 V a 5,5 V e ha una corrente di quiescenza tipica di 1,5 mA.

La famiglia NCV7030 offre un elevato rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) in ingresso di 85 dB (minimo) e un intervallo di tensione di ingresso di modo comune compreso tra -6 V e 80 V (in funzione) e tra -14 V e 85 V (sopravvivenza). Può eseguire misurazioni di corrente unidirezionale attraverso un resistore di rilevamento e fornire un guadagno fisso di 14 V/V con un errore di guadagno massimo di ±0,3% nell'intero intervallo di temperatura, una specifica importante nel difficile ambiente automotive.

Gli amplificatori NCV7030 non offrono solo un'elevata reiezione di modo comune. Ciascuno di essi è costituito da un preamplificatore e da un buffer, con accesso all'uscita e all'ingresso, rispettivamente, tramite i pin di bridging A1 e A2 per implementare una rete di filtraggio intermedio o modificare il guadagno.

Inoltre, un buon CSA non deve semplicemente mantenere le prestazioni nonostante una CMV elevata. I dispositivi NCV7030 sono caratterizzati da un elevato rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) di 75 dB (minimo), che garantisce un funzionamento affidabile anche in ambienti rumorosi. Grazie alla bassa tensione di offset in ingresso di ±300 µV (max) e alla deriva termica minima, si prestano per applicazioni di precisione. Inoltre, la larghezza di banda di 100 kHz li rende reattivi alle rapide variazioni di corrente.

Grazie alla bassa tensione di offset in ingresso, l'uscita dei CSA NCV7030 si troverà entro 50 mV dal potenziale di terra quando non fluisce corrente attraverso il resistore di shunt. Quando la corrente fluisce, l'uscita oscilla in positivo, fino a un massimo di 100 mV rispetto alla tensione di alimentazione applicata. Questo ampio intervallo migliora il rapporto segnale/rumore (SNR) della tensione rilevata.

Esiste una piccola restrizione operativa. Gli amplificatori NCV7030 sono internamente riferiti a massa, quindi possono misurare solo la corrente che fluisce in una direzione. Non si tratta di una limitazione grave, poiché i progetti alimentati a batteria e la maggior parte degli alimentatori bipolari prevedono solo un flusso di corrente unidirezionale.

Per semplificare il progetto, i dispositivi possono essere collegati alla stessa alimentazione che monitorano. Se è necessario rilevare la corrente di cortocircuito sull'alimentazione del carico, un evento che può causare un abbassamento dell'alimentazione del carico a un valore vicino a 0 V, è necessario utilizzare un'alimentazione separata.

I dispositivi NCV7030 forniscono un'amplificazione a guadagno fisso senza componenti aggiuntivi, ma alcune applicazioni possono richiedere un guadagno maggiore o minore. L'architettura di questi amplificatori soddisfa questo requisito attraverso i pin A1 e A2.

Per un guadagno inferiore, collegando A1 ad A2 e aggiungendo un resistore (R_EXT) da questa rete a massa si forma una rete resistore-divisore con il resistore interno da 100 kΩ (Figura 3).

Figura 3: Aggiungendo un singolo resistore esterno (R_EXT), si forma una rete resistore-divisore con il resistore interno da 100 kΩ per ridurre il guadagno degli amplificatori NCV7030. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Per contro, il guadagno può essere aumentato aggiungendo un resistore esterno in una configurazione a retroazione positiva (Figura 4). In entrambi i casi di guadagno, semplici formule algebriche mettono in relazione il valore del resistore esterno con i valori di guadagno ridotti o aumentati desiderati.

Figura 4: L'inserimento di un resistore esterno nell'anello di retroazione di un amplificatore NCV7030 aumenta il guadagno. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

E il filtraggio?

Molte applicazioni di rilevamento della corrente, come le installazioni automotive e industriali, sono intrinsecamente rumorose. Il rumore può compromettere l'integrità del segnale di corrente rilevato e la tensione di uscita dell'amplificatore associato. La bassa tensione che attraversa il resistore di rilevamento aumenta le difficoltà legate al rumore.

Perché questa tensione è bassa? Il dimensionamento del resistore di rilevamento comporta dei compromessi. Da un lato, un resistore di valore superiore fornisce una maggiore caduta di tensione e quindi una maggiore ampiezza del segnale, migliorando il valore SNR e la risoluzione. D'altra parte, però, questo resistore di valore superiore consuma più energia, genera più calore e ha un effetto negativo maggiore sul circuito di carico.

In molte applicazioni, la regola empirica è quella di dimensionare il resistore per una caduta di circa 100 mV come compromesso. Questo valore significa che il resistore è spesso pari o inferiore a 1 mΩ, quindi le connessioni ad esso collegate entrano a far parte dei calcoli relativi alla caduta di tensione e alla tensione rilevata.

L'ingresso differenziale puro dei dispositivi NCV7030 è adatto sia agli shunt con connessione Kelvin a quattro fili che riducono il rumore, sia agli shunt convenzionali a due fili. Inoltre, l'ingresso differenziale puro respinge il rumore di modo comune, spesso presente anche nel rilevamento di corrente low-side.

Alcune applicazioni possono richiedere il filtraggio all'ingresso del CSA. Ciò si ottiene facilmente aggiungendo due resistori (R_FILT) e un condensatore (C_FILT) tra il resistore di shunt e gli ingressi dell'amplificatore (Figura 5).

Figura 5: Per il filtraggio in ingresso, sono sufficienti due resistori abbinati (R_FILT) e un condensatore (C_FILT) all'ingresso del CSA. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Tenere presente che questo filtraggio in ingresso è complicato dalla resistenza aggiunta dei resistori di filtro e dalla discrepanza associata della resistenza tra di essi, che possono influire negativamente sul guadagno, sul CMRR e sulla tensione di offset in ingresso. La scheda tecnica spiega come selezionare questi valori e i loro effetti.

Anche quando il filtraggio in ingresso non è richiesto, può essere necessario filtrare l'uscita dell'amplificatore. Questo filtraggio è facilmente implementabile grazie all'architettura interna "divisa" degli amplificatori NCV7030. È possibile creare un filtro passa-basso collegando A1 e A2 e aggiungendo un condensatore dalla configurazione a massa (Figura 6, a sinistra). In questo modo si crea un semplice filtro resistore-condensatore (RC) a singolo polo che utilizza il resistore interno da 100 kΩ, offrendo un'attenuazione di 20 dB/decade. Se è necessario un roll-off più elevato, è possibile creare un filtro Sallen-Key a due poli con un'attenuazione di 40 dB/decade aggiungendo due condensatori esterni e un singolo resistore (Figura 6, a destra).

Figura 6: Un singolo condensatore posto tra A1/A2 e la massa produce un filtro a polo singolo (a sinistra) con un'attenuazione di 20 dB/decade; l'aggiunta di un resistore e di un condensatore crea un filtro a due poli con un'attenuazione di 40 dB/decade (a destra). (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Conclusione

Il rilevamento di corrente high-side, in cui un resistore di basso valore viene inserito tra la sorgente e il carico, è una tecnica standard per determinare il parametro critico della corrente di carico in molte applicazioni, come i circuiti automotive. Questo approccio, benché efficace, pone anche delle sfide per quanto riguarda le prestazioni del CSA associato. Come illustrato, la famiglia di amplificatori NCV7030 di onsemi è ottimizzata per questa specifica applicazione, con un'alta tolleranza CMV e un design a due stadi che offre guadagno fisso e regolabile dall'utente, oltre alla possibilità di filtrare sia l'ingresso che l'uscita.