Comment sélectionner et utiliser des technologies intelligentes de détection et de surveillance du courant (au lieu de fusibles)

Traditionnellement, la protection d'une conception contre une condition de surintensité implique l'ajout d'un fusible en ligne. Il s'agit essentiellement de résistances qui chauffent et fondent lorsqu'un courant excessif les traverse, provoquant un circuit ouvert et interrompant la circulation du courant. Toutefois, un fusible est une solution brute, et son remplacement peut être long et coûteux, en particulier dans les emplacements éloignés.

Une solution plus sophistiquée consiste à surveiller le courant en temps réel afin de détecter les situations de surintensité potentielles avant qu'elles ne se produisent et de prendre les mesures préventives appropriées. Cet article se penche sur les composants et les principes sous-jacents qui constituent un système de détection de surintensité, les sources d'erreur et comment les éviter, ainsi que des exemples de leur utilisation.

Techniques de surveillance de courant

Il existe plusieurs techniques pour surveiller le courant en fonction du type (CA ou CC) et de l'intensité du courant mesuré.

Pour une mesure directe, le courant mesuré circule dans le dispositif de mesure, qui peut être une résistance shunt ou un transistor. Cette méthode aboutit à une solution compacte et peu coûteuse avec une grande précision et qui est généralement privilégiée, dans la mesure du possible.

De nombreuses applications nécessitent une mesure indirecte du courant, qui fournit l'isolement galvanique entre le conducteur de courant et le dispositif de mesure. La méthode indirecte mesure un paramètre lié au courant tel que le champ magnétique induit par le courant dans une bobine.

Cette technique est capable d'une grande précision, mais elle est trop complexe et coûteuse pour être considérée comme un remplacement des fusibles dans la plupart des applications présentant des risques de surintensité. Nous allons plutôt étudier trois méthodes de mesure directe qui utilisent une résistance de détection de courant ou un transistor MOSFET de puissance comme élément de détection.

Certes, l'ajout d'un autre niveau de sophistication peut augmenter le coût de la nomenclature, mais dans certains cas, les circuits peuvent déjà être disponibles, tels que la capacité de microcontrôleur inutilisé, qui peut servir à ajouter des fonctionnalités à moindres frais. Pour d'autres méthodes, la considération du coût total de possession (TCO) peut rendre le coût supplémentaire utile si cela permet d'éviter un déplacement vers un emplacement éloigné pour remplacer un fusible.

Mesure directe à l'aide d'une résistance de détection de courant

L'approche directe la plus simple consiste à mesurer le courant avec une résistance shunt de détection de courant (série), une méthode directe qui présente les avantages de la simplicité et de la linéarité. La tension à travers la résistance représente l'intensité du courant selon la loi d'Ohm V = I x R.

Pour des applications de haute précision telles que la gestion d'une batterie automobile, Vishay propose des résistances shunt spécialisées telles que le modèle WSBS8518L1000JK, utilisé comme une pièce autonome ou intégré dans un boîtier moulé (WSBM8518L1000JK) pour faciliter la connexion de la carte à circuit imprimé (Figure 1).

Figure 1 : L'approche directe la plus simple consiste à mesurer le courant avec une résistance shunt de détection de courant (série) telle que la résistance shunt de précision discrète WSBS8515L100JK de Vishay Dale (en haut) ou le boîtier associé (en bas). (Image fournie avec l'autorisation de Vishay Dale)

Le boîtier intègre une prise femelle à 4 broches qui se raccorde à un connecteur Molex standard. La résistance peut être de seulement 100 μΩ, avec une inductance inférieure à 5 nH et un coefficient de température de résistance (TCR) inférieur à ±20 ppm/°C.

Détection haut potentiel et bas potentiel

Lors de l'utilisation d'une résistance shunt, vous pouvez l'insérer entre la charge et le retour (détection bas potentiel) ou entre la charge et l'alimentation (détection haut potentiel). La détection bas potentiel présente l'avantage de la simplicité et du faible coût, car la résistance shunt est référencée à la masse et peut être mise en tampon à l'aide d'un amplificateur opérationnel standard. Elle présente cependant un inconvénient : un capteur bas potentiel ne peut pas détecter un circuit ouvert ou un court-circuit au niveau bas potentiel de la charge. La résistance shunt ajoute également une résistance au trajet de masse, ce qui peut être inacceptable dans certaines applications.

La détection haut potentiel ne présente pas de perturbations à la masse, mais il existe une tension de mode commun de chaque côté de la résistance shunt qui peut dépasser la plage de mode commun d'un amplificateur opérationnel standard ou s'étendre au-delà de la tension d'alimentation correspondante.

Circuits intégrés pour résistances shunt

Il existe de nombreux circuits intégrés spécialement conçus pour détecter des conditions de surintensité, par exemple le comparateur de détection de courant INA300 de Texas Instruments. L'INA300 fonctionne à partir d'une alimentation de 5 V, mais peut recevoir une tension de mode commun pouvant atteindre 36 V. Le seuil de surintensité peut être réglé par un convertisseur numérique-analogique (CNA) ou par une résistance externe. Le temps de réponse peut varier entre 10 μs et 100 μs. La broche de sortie d'alerte suit l'état d'entrée (mode transparent) ou se verrouille à la suite d'une condition de surintensité. En mode verrouillage, le microcontrôleur système supprime le verrouillage pour accuser réception de l'alerte.

Figure 2 : Le comparateur INA300 de Texas Instruments protège contre une condition de surintensité avec de nombreuses fonctionnalités, notamment une tension de seuil et un temps de réponse programmables. (Image fournie avec l'autorisation de Texas Instruments)

Bien que toute application de contrôle de courant puisse incorporer une détection de surintensité en comparant le courant à une valeur de référence interne dans le microcontrôleur système, certaines applications telles que la commande moteur industrielle et les convertisseurs CC/CC peuvent nécessiter une détection de surintensité à grande vitesse pour éviter d'endommager les composants en aval.

La Figure 3 illustre un système de contrôle de courant avec un circuit de protection haute vitesse distinct. L'AD8211 d'Analog Devices amplifie la tension à travers la résistance shunt et fournit le signal de rétroaction pour la boucle de contrôle. Le dispositif rejette les tensions de mode commun jusqu'à 65 V et fournit une sortie mise en tampon référencée à la masse, adaptée pour une connexion à un convertisseur analogique-numérique (CAN).

Figure 3 : Utilisés ensemble, les dispositifs AD8211 et AD8214 forment un système de surveillance et de détection du courant capable de répondre à une condition de surintensité en moins de 100 ns. (Image fournie avec l'autorisation d'Analog Devices Inc.)

La fonction de protection est assurée par un autre composant d'Analog Devices, l'AD8214. Il s'agit d'un comparateur de shunt à tension de mode commun élevée et à réponse rapide, pouvant fournir un signal de détection de surintensité en moins de 100 ns. L'AD8214 dispose d'un régulateur Zener interne qui lui permet de fonctionner à partir d'une tension d'alimentation pouvant atteindre 65 V.

Sources d'erreur

Pour les applications à faible courant, il est possible de minimiser les coûts et d'utiliser une résistance de puissance standard, par exemple un shunt pour mesurer le courant, mais la tolérance du shunt affecte directement la précision de détection de surintensité. Une plus grande valeur de la résistance augmente l'amplitude du signal, mais génère également plus de chaleur, pouvant engendrer des coûts supplémentaires, puisqu'un dissipateur thermique ou d'autres méthodes de gestion thermique peuvent être nécessaires.

Si la résistance shunt doit être utilisée comme composant d'un système de contrôle (Figure 3), le signal de tension présentera une plage dynamique étendue, donc une résistance de précision avec une faible tolérance et un faible coefficient de température de résistance (TCR) est privilégiée.

Détection de courant basée sur la résistance à l'état passant RDS_(ON)

Un autre moyen pour détecter une condition de surintensité consiste à éliminer la résistance shunt et à utiliser le MOSFET de puissance lui-même comme élément de détection. La Figure 4 illustre le circuit d'attaque MOSFET AUIR3200S d'Infineon, qui intègre une protection contre les courts-circuits.

Figure 4 : L'AUIR3200S est un circuit d'attaque MOSFET intégrant une détection de surintensité et une compensation de température. (Image fournie avec l'autorisation d'Infineon Technology)

Le dispositif détecte la chute de tension à travers le transistor à effet de champ (FET) de puissance, qui est une fonction du courant de charge et de résistance RDS_(ON) sur le FET. Lorsque le MOSFET est activé, la tension à la source V_S est obtenue par la formule ci-après :

La valeur V_S est entrée à la broche source (S) de l'AUIR3200S, où elle est comparée à une tension de référence V_DS.

I_VDS est défini sur 1 mA avec une source de courant interne, donc R_VDS détermine de manière efficace la valeur de V_DS. V_BAT peut également varier, particulièrement dans une application automobile, mais n'affecte pas la comparaison des deux tensions.

Lorsqu'une condition de surintensité se produit, V_S dépasse V_DS, ce qui déclenche le comparateur interne et désactive le MOSFET.

Pour réduire les erreurs, il est recommandé de sélectionner une valeur à faible tolérance pour R_VDS. La valeur RDS_(ON) d'un MOSFET de puissance est relativement insensible au courant de drain, mais augmente avec l'élévation de la température de jonction (TJ). Pour compenser cela, un coefficient de température positif est conçu dans la source de courant I_VDS du dispositif AUIR3200S. Notez que l'AUIR3200S doit être monté aussi près que possible du MOSFET pour faciliter l'égalisation des températures des deux dispositifs.

Mesure directe dans les applications à fort courant

Pour les applications à fort courant, la résistance shunt peut ajouter trop de chaleur pour être viable, surtout dans les environnements haute température tels que les modules automobiles sous le capot. Dans de tels cas, un MOSFET de partage de courant peut être la solution, offrant une méthode de mesure de courant à faible perte.

Comment fonctionne un MOSFET de partage de courant ? Les MOSFET de puissance modernes comprennent des milliers de cellules de transistors identiques connectées en parallèle pour minimiser la résistance à l'état passant [RDS_(ON)] globale. Un MOSFET de détection de courant utilise une petite partie de ces cellules parallèles pour former un second MOSFET de faible puissance (également appelé senseFET) qui est isolé du dispositif de puissance et présente un drain et une grille communs, mais une source distincte considérée comme une broche de détection (SENSE). La Figure 5 illustre le circuit équivalent.

Figure 5 : Circuit équivalent d'un MOSFET de détection de courant pouvant être utilisé pour réaliser une mesure directe dans des applications à fort courant. (Image fournie avec l'autorisation de NXP Semiconductors)

Lorsque le transistor de puissance principal est activé, la broche de détection génère un courant I_SENSE proportionnel à celui de la charge de courant principale : un rapport typique correspond à 1:500 ou 0,2 %.

La Figure 6 illustre un circuit typique utilisé avec un MOSFET de détection de courant. Un double circuit d'amplificateur opérationnel convertit I_SENSE en une entrée de tension pour le microcontrôleur système.

Figure 6 : Interfaçage d'un MOSFET de partage de courant vers un microcontrôleur système. (Image fournie avec l'autorisation de NXP Semiconductors)

L'IXTN660N04T4 d'IXYS est un exemple de transistor FET de détection de courant à canal N pour les applications à fort courant. Ce dispositif peut prendre en charge un courant de drain jusqu'à 660 A.

La précision du circuit de surveillance du courant dépend de la tolérance de R_SENSE, mais pour une utilisation de remplacement de fusible, une valeur de 5 % ou 10 % est plus que suffisante. La sortie de détection d'un FET de détection du courant typique présente une variation de ± 5 %, mais encore une fois, son rendement est plus que suffisant pour les situations de surintensité ou de court-circuit. Le signal de courant V_OUT dans la Figure 6 est analogique par nature et se connecte à une entrée de convertisseur analogique-numérique (CAN), mais il est possible de modifier facilement le circuit externe pour générer un signal de surintensité numérique à la place.

Conclusion

Pour renforcer la protection contre la surintensité et les courts-circuits, de nombreuses options s'offrent aux concepteurs, autres qu'un simple fusible. Même si l'ajout d'un autre niveau de sophistication peut augmenter le coût de la nomenclature, le coût total de possession (TCO) peut rendre le coût supplémentaire intéressant et peut diminuer le coût total sur la durée de vie du produit.