Mise en œuvre efficace de la surveillance du courant avec un amplificateur de détection du courant bidirectionnel intégré

La surveillance rapide et précise du courant est nécessaire dans une variété croissante d'applications, notamment les véhicules autonomes, la robotique et l'automatisation d'usine, les communications, la gestion de l'alimentation des serveurs, les amplificateurs audio de classe D et les systèmes médicaux. Dans nombre de ces applications, une détection bidirectionnelle du courant est requise, mais elle doit être effectuée de manière efficace et à un coût minimal.

Bien qu'il soit possible de construire un amplificateur de détection du courant (CSA) bidirectionnel à partir d'une paire de CSA unidirectionnels, il s'agit d'un processus complexe qui prend du temps. Cela implique un amplificateur opérationnel rail-à-rail distinct pour combiner les deux sorties en une sortie asymétrique, ou l'utilisation de deux entrées de convertisseur analogique-numérique (CAN) sur le microcontrôleur, ce qui nécessite un codage du microcontrôleur et des cycles machine supplémentaires. Enfin, la construction d'un CSA bidirectionnel à l'aide de deux CSA unidirectionnels — plus les composants supplémentaires requis pour les intégrer dans une solution bidirectionnelle — peut exiger plus d'espace carte, et le nombre plus élevé de pièces peut réduire la fiabilité et augmenter les besoins de stock. Il peut en résulter des dépassements de coûts et de délais.

En lieu et place, les concepteurs peuvent se tourner vers des CSA bidirectionnels de précision, haute vitesse intégrés. Ils ont le choix entre des CSA bidirectionnels intégrés avec des résistances shunt internes à faible inductance qui produisent les solutions les plus compactes, ou des CSA qui utilisent des shunts de courant externes pour offrir des options de conception et de configuration plus flexibles.

Cet article passe en revue les exigences liées à la mise en œuvre de CSA bidirectionnels et les avantages d'une approche plus intégrée. Il présente ensuite des exemples de dispositifs de STMicroelectronics, Texas Instruments et Analog Devices, y compris les paramètres clés et les caractéristiques distinctives. Enfin, il montre comment démarrer des conceptions avec ces dispositifs, et présente notamment des conceptions de référence/kits d'évaluation/kits de développement associés, et des conseils sur la conception et la mise en œuvre.

Comment utiliser deux CSA unidirectionnels ?

Un circuit CSA bidirectionnel peut être construit de plusieurs façons en utilisant deux CSA unidirectionnels (Figure 1). Le MAX4172ESA+T d'Analog Devices, utilisé dans l'exemple de gauche, n'inclut pas de résistance de charge interne et utilise donc les dispositifs discrets R_a et R_b. Dans l'exemple de droite, le MAX4173TEUT+T est doté d'une résistance de charge interne de 12 kilohms (kΩ) pour convertir sa sortie de courant en tension.

Figure 1 : Les applications de détection bidirectionnelle du courant utilisant deux amplificateurs unidirectionnels peuvent être mises en œuvre en utilisant des résistances de charge externes (à gauche) ou avec une résistance de charge interne (à droite). (Source de l'image : Analog Devices)

Bien qu'il n'ait pas besoin des deux résistances de charge, le circuit MAX4173TEUT+T ajoute un condensateur de 1 nanofarad (nF) dans sa rétroaction pour stabiliser la boucle de commande de la partie B. Dans les deux cas, les courants de sortie des deux CSA sont combinés à l'aide d'un amplificateur opérationnel à usage général MAX4230AXK+T.

Les deux approches présentent un nombre de composants supérieur à celui qui serait nécessaire si l'on utilisait un seul CSA bidirectionnel. En plus du nombre plus important de composants, la configuration du circuit imprimé est plus complexe car les deux CSA unidirectionnels doivent être placés à proximité de la résistance V_SENSE.

Exemples d'applications utilisant des CSA bidirectionnels

Les CSA bidirectionnels sont des dispositifs polyvalents utilisés dans une grande variété d'applications. Par exemple, deux CSA peuvent être utilisés dans un système de servomoteur triphasé pour déterminer les courants d'enroulements instantanés des trois phases, sans autre calcul ou information sur les rapports cycliques ou les phases d'impulsions de modulation de largeur d'impulsion (PWM) (Figure 2).

Figure 2 : Dans une application de servomoteur triphasé, deux CSA bidirectionnels peuvent être connectés aux résistances de détection pour la phase 1 (R_SENSEΦ1) et la phase 2 (R_SENSEΦ2) pour générer une tension représentant le courant dans l'enroulement de la troisième phase. (Source de l'image : Analog Devices)

La loi de Kirchhoff stipule que la somme des courants dans les deux premiers enroulements est égale au courant dans le troisième enroulement. Le circuit utilise deux CSA bidirectionnels MAX40056TAUA+ pour mesurer les courants des deux phases qui sont additionnés dans l'amplificateur opérationnel à usage général MAX44290ANT+T. Comme les trois amplificateurs ont la même tension de référence, des mesures ratiométriques sont produites.

Dans un autre exemple, un amplificateur audio de classe D, un CSA bidirectionnel unique tel que l'INA253A1IPW de Texas Instruments peut être utilisé pour mesurer avec précision le courant de charge du haut-parleur (Figure 3).

Figure 3 : Dans les conceptions audio de classe D, un CSA bidirectionnel (INA253) peut être utilisé pour implémenter des améliorations et des diagnostics de haut-parleurs. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les mesures en temps réel du courant de charge du haut-parleur peuvent être utilisées pour le diagnostic et pour optimiser les performances de l'amplificateur en quantifiant les paramètres clés du haut-parleur et les changements dans ces paramètres, notamment :

• Résistance de la bobine
• Impédance du haut-parleur
• Fréquence de résonance et impédance de crête à la fréquence de résonance
• Température ambiante en temps réel du haut-parleur

Conseils pour la configuration des cartes et considérations relatives aux shunts de courant

La résistance et l'inductance parasites sont une préoccupation lors de la mise en œuvre de circuits de détection du courant. De même, l'excès de soudure et la résistance de piste parasite peuvent entraîner des erreurs de détection. Des résistances de détection du courant à quatre bornes sont souvent utilisées. Si une résistance à quatre bornes n'est pas envisageable, il convient d'utiliser les techniques de configuration de circuits imprimés Kelvin (Figure 4).

Figure 4 : Les pistes de détection Kelvin doivent être aussi près que possible des plots de contact à souder sur la résistance de détection du courant. (Source de l'image : Analog Devices)

Le fait de placer les pistes de détection Kelvin aussi près que possible des points de contact à souder de la résistance de détection du courant minimise les résistances parasites. Un espacement plus important des pistes de détection Kelvin introduira une erreur de mesure causée par la résistance de piste supplémentaire.

Le choix de la résistance de détection est un aspect important lorsqu'il s'agit de minimiser l'inductance parasite. Les inductances de boîtier doivent être minimisées car l'erreur de tension est proportionnelle au courant de charge. En général, les résistances bobinées ont l'inductance la plus élevée et les dispositifs à couche métallique standard ont des inductances de niveau moyen. Pour les applications de détection du courant, les résistances à couche métallique à faible inductance sont généralement recommandées.

La valeur de la résistance shunt est un compromis entre la gamme dynamique et la dissipation de puissance. Pour la détection de forts courants, il est recommandé d'utiliser un shunt de faible valeur pour minimiser la dissipation thermique (I²R). Pour la détection de faibles courants, une valeur de résistance plus élevée peut être utilisée pour minimiser l'impact de la tension de décalage sur le circuit de détection.

La plupart des CSA utilisent des shunts externes pour mesurer le courant, mais certains CSA utilisent des shunts de courant internes. Bien que l'utilisation de shunts internes permette d'obtenir des conceptions plus compactes avec moins de composants, elle présente plusieurs inconvénients, notamment : une flexibilité moindre puisque la valeur du shunt est prédéterminée, la nécessité d'un courant de repos plus élevé par rapport aux CSA à shunt externe et une limitation du courant mesurable en raison des capacités du shunt interne.

CSA bidirectionnels de précision haute tension

Le TSC2011IST de STMicroelectronics permet aux concepteurs de minimiser la dissipation de puissance en tirant parti de ses capacités de précision pour utiliser des shunts de courant externes à faible résistance (Figure 5). Ce CSA bidirectionnel est conçu pour fournir des mesures de courant de précision dans des applications telles que l'acquisition de données, la commande de moteurs, la commande de solénoïdes, l'instrumentation, le test et la mesure, et le contrôle de processus.

Figure 5 : Le TSC2011IST comprend une broche d'arrêt (SHDN) pour maximiser les économies d'énergie, et il fonctionne sur la plage de températures industrielles de -40°C à +125°C. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le TSC2011IST présente un gain d'amplificateur de 60 volts/volt (V/V), un filtre d'interférences électromagnétiques (EMI) intégré et une tolérance de décharge électrostatique (DES) de 2 kilovolts (kV) modèle du corps humain (HBM) (conformément à la norme JEDEC JESD22-A114F). Le TSC2011 peut détecter une chute de tension de seulement 10 millivolts (mV) pleine échelle pour fournir des mesures cohérentes. Son produit gain-bande passante de 750 kilohertz (kHz) et sa vitesse de balayage de 7,0 volts par microseconde (V/µs) se combinent pour garantir une haute précision et une réponse rapide.

Les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation STEVAL-AETKT1V2 pour commencer rapidement à utiliser le TSC2011IST (Figure 6). Il peut détecter le courant sur une large plage de tensions de mode commun de -20 V à +70 V. Le TSC2011IST présente les caractéristiques suivantes :

• Erreur de gain : 0,3 % max.
• Dérive de décalage : 5 µV/°C max.
• Dérive de gain : 10 parties par million (ppm)/°C max.
• Courant de repos : 20 microampères (µA) en mode d'arrêt

Figure 6 : La carte d'évaluation STEVAL-AETKT1V2 inclut la carte principale et une carte fille contenant le TSC2011IST. (Source de l'image : STMicroelectronics)

CSA bidirectionnel à shunt interne

L'INA253A1IPW de Texas Instruments intègre un shunt de courant à faible inductance de 2 mΩ, 0,1 % et prend en charge des tensions de mode commun jusqu'à 80 V (Figure 7). L'INA253A1IPW fournit aux concepteurs un circuit de réjection PWM amélioré pour supprimer les grands signaux dv/dt, permettant des mesures de courant en continu et en temps réel pour des applications telles que la commande moteur et le contrôle de vannes solénoïdes. L'amplificateur interne présente une topologie à dérive du zéro de précision avec des taux de réjection du mode commun (TRMC) CC > 120 décibels (dB) et CA de 90 dB à 50 kHz.

Figure 7 : Le CSA bidirectionnel INA253A1IPW, illustré ici dans une application typique, est doté d'un shunt de courant interne et peut mesurer ±15 A de courant continu de -40°C à +85°C. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les concepteurs peuvent accélérer le développement de systèmes basés sur l'INA253A1IPW en utilisant les points de test sur la carte d'évaluation INA253EVM associée pour accéder aux broches fonctionnelles du CSA (Figure 8). La carte à deux couches mesure 60,96 mm x 106,68 mm (2,4 × 4,2 pouces) et est fabriquée avec 1 once (oz) de cuivre.

Figure 8 : L'INA253EVM à deux couches mesure 60,96 mm x 106,68 mm et est fabriqué avec 1 oz de cuivre. La couche inférieure ne comporte pas de composants mais contient un plan de masse en cuivre massif qui fournit un chemin à faible impédance pour les courants de retour. (Source de l'image : Texas Instruments)

Un circuit de support minimal est inclus sur la carte à circuit imprimé, et les fonctions peuvent être reconfigurées, supprimées ou contournées selon les besoins. L'INA253EVM présente les caractéristiques suivantes :

• Trois dispositifs INA253A1IPW
• Accès aisé à toutes les broches
• Configuration de carte et construction supportant un courant de ±15 A à travers les CSA INA253 sur la plage de températures complète de -40°C à +85°C
• Emplacements sur le circuit imprimé pour les configurations autres que la configuration par défaut

La couche inférieure ne comporte pas de composants mais contient un plan de masse en cuivre massif qui fournit un chemin à faible impédance pour les courants de retour.

CSA bidirectionnel qualifié AEC-Q100

Pour surveiller les courants dans les commandes de moteurs en pont complet, les alimentations à découpage, les solénoïdes, les blocs-batteries et les applications automobiles, les concepteurs peuvent utiliser le LT1999IMS8-20#TRPBF d'Analog Devices (Figure 9).

Figure 9 : Le LT1999IMS8-20#TRPBF est un CSA bidirectionnel dans une application de surveillance du courant d'induit en pont complet. (Source de l'image : Analog Devices)

Le LT1999IMS8-20#TRPBF est qualifié AEC-Q100 pour les applications automobiles et inclut un mode d'arrêt pour réduire la consommation d'énergie. Le dispositif utilise un shunt externe pour mesurer à la fois la direction et la quantité de courant qui circule. Il produit une tension de sortie proportionnelle qui est référencée à mi-chemin entre la tension d'alimentation et la terre. Les concepteurs ont la possibilité d'appliquer une tension externe pour définir le niveau de référence.

Le LT1999IMS8-20#TRPBF entre dans un état d'arrêt basse consommation absorbant environ 3 μA lorsque V_SHDN (broche 8) est commandé à moins de 0,5 V de la terre. Les broches d'entrée (+IN et -IN) absorbent environ 1 nanoampère (nA) si elles sont polarisées dans la plage de 0 V à 80 V (sans tension différentielle appliquée). La sensibilité aux interférences électromagnétiques est réduite par un filtre de suppression EMI passe-bas différentiel interne de 1^er ordre qui permet de rejeter les signaux haute fréquence au-delà de la bande passante du dispositif.

Pour expérimenter avec la série LT1999, Analog Devices fournit la carte de démonstration 1698A. La carte amplifie la chute de tension dans une résistance de détection du courant intégrée et produit une tension de sortie bidirectionnelle qui est proportionnelle au courant traversant la résistance. Les concepteurs peuvent choisir parmi trois options de gain fixe : 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) et 50 V/V (DC1698A-C).

CSA bidirectionnel avec réjection PWM

Pour une meilleure réjection des fronts PWM d'entrée de mode commun dans les conceptions contrôlant des charges inductives telles que des solénoïdes et des moteurs, les concepteurs peuvent utiliser le MAX40056TAUA+ (Figure 10). Mentionné précédemment dans le contexte de la Figure 2, le MAX40056TAUA+ est un CSA bidirectionnel qui peut gérer des vitesses de balayage de ±500 V/µs et plus. Il présente un TRMC typique de 60 dB (50 V, ±500 V/µs en entrée) et 140 dB CC. Sa plage de mode commun s'étend de -0,1 V à +65 V et inclut une protection contre les tensions de retour inductives jusqu'à -5 V.

Figure 10 : Le MAX40056TAUA+ inclut une référence interne de 1,5 V, une réjection PWM améliorée et un comparateur à fenêtres interne intégré pour détecter les conditions de surintensité positives et négatives (en bas à gauche, commandé par l'entrée CIP). (Source de l'image : Analog Devices)

Ce MAX40056TAUA+ a une référence interne de 1,5 V qui peut être utilisée à des fins multiples, notamment :

• Commande d'un convertisseur analogique-numérique différentiel
• Décalage de la sortie pour indiquer le sens du courant détecté
• Alimentation en courant des charges externes pour atténuer les réductions de performances

Lorsque des excursions de sortie pleine échelle plus élevées sont utiles, ou pour des tensions d'alimentation supérieures à 3,3 V, les concepteurs peuvent remplacer la référence interne par une référence de tension externe plus élevée. Enfin, les concepteurs peuvent utiliser la référence interne ou externe pour définir le seuil de déclenchement du comparateur de surintensité intégré, fournissant un signal immédiat en cas de défaut de surintensité.

Le kit d'évaluation MAX40056EVKIT# pour le MAX40056TAUA+ fournit aux concepteurs une plateforme éprouvée pour le développement d'applications CSA bidirectionnelles haute tension et haute précision, telles que les commandes de solénoïdes et les commandes de servomoteurs.

Conclusion

Une surveillance rapide et précise du courant est nécessaire dans de nombreuses applications, notamment l'industrie automobile, la robotique, l'automatisation des usines, la gestion de l'alimentation des serveurs, les amplificateurs audio de classe D et les systèmes médicaux. Dans de nombreux cas, une détection bidirectionnelle du courant est nécessaire.

Heureusement, les concepteurs peuvent choisir parmi une variété de CSA bidirectionnels intégrés et leurs plateformes de développement associées, pour mettre en œuvre rapidement et efficacement une surveillance bidirectionnelle du courant rapide et précise.

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