Implementați în mod eficient monitorizarea curentului utilizând amplificatoare bidirecționale integrate de detectare a curentului

Monitorizarea rapidă și precisă a curentului este necesară într-o varietate din ce în ce mai mare de aplicații, inclusiv în vehicule autonome, automatizarea fabricilor și robotică, comunicații, gestionarea energiei pentru servere, amplificatoare audio de clasă D și sisteme medicale. Multe dintre aceste aplicații necesită detectarea bidirecțională a curentului, dar aceasta trebuie efectuată în mod eficient și la un cost minim.

Deși construirea unui amplificator de detectare a curentului bidirecțional (CSA) este posibilă folosind o pereche de CSA-uri unidirecționale, poate fi un proces complex și care consumă timp. Acesta implică un amplificator operațional separat, de tip „șină la șină” pentru a combina cele două ieșiri într-o ieșire cu un singur capăt, sau utilizarea a două intrări de convertor analog-digital (ADC) pe microcontroler, ce necesită codificarea microcontrolerului și cicluri de procesare suplimentare. În final, construirea unui CSA bidirecțional folosind două CSA-uri unidirecționale – plus componentele suplimentare necesare pentru a le integra într-o soluție bidirecțională – poate consuma mai mult spațiu pe placa de circuite, iar numărul mai mare de piese poate reduce fiabilitatea și poate crește cerințele de inventar. Rezultatul final poate fi depășirea costurilor și a programului de proiectare.

În schimb, proiectanții se pot orienta către CSA-uri bidirecționale integrate, de mare viteză și de precizie. Aceștia pot alege între CSA-uri bidirecționale integrate cu rezistoare de șuntare interne cu inductanță redusă, care produc cele mai compacte soluții, sau CSA-uri care utilizează șunturi de curent externe pentru a oferi un design mai flexibil și opțiuni de dispunere.

Acest articol trece în revistă cerințele de implementare a CSA-urilor bidirecționale și beneficiile unei abordări mai integrate. Apoi, sunt prezentate exemple de dispozitive de la STMicroelectronics, Texas Instruments și Analog Devices, inclusiv parametrii cheie și caracteristicile de diferențiere. În cele din urmă, prezintă modul în care se poate începe proiectarea cu aceste dispozitive, inclusiv proiectele de referință/kiturile de evaluare/kiturile de dezvoltare aferente, precum și sfaturi privind proiectarea și implementarea.

Cum se utilizează două CSA-uri unidirecționale

Un circuit CSA bidirecțional poate fi construit în mai multe moduri folosind două CSA-uri unidirecționale (Figura 1). Modelul Analog Devices MAX4172ESA+T, utilizat în exemplul din stânga, nu include un rezistor de sarcină intern și, prin urmare, utilizează dispozitivele discrete R_a și R_b. În exemplul din dreapta, MAX4173TEUT+T are un rezistor de sarcină intern de 12 kiloohmi (kΩ) pentru a converti ieșirea de curent într-o tensiune.

Figura 1: aplicațiile bidirecționale de detectare a curentului care utilizează două amplificatoare unidirecționale de detectare a curentului pot fi implementate utilizând rezistoare de sarcină externe (stânga) sau cu un rezistor de sarcină intern (dreapta). (Sursă imagine: Analog Devices)

Deși nu are nevoie de cele două rezistoare de sarcină, circuitul MAX4173TEUT+T adaugă un condensator de 1 nanofarad (nF) în feedback-ul său pentru a stabiliza bucla de control din partea B. În ambele cazuri, curenții de ieșire de la cele două CSA-uri sunt combinați folosind un amplificator operațional de uz general MAX4230AXK+T.

Ambele abordări au un număr de piese mai mare decât cel care ar fi necesar folosind un singur CSA bidirecțional. Pe lângă numărul mai mare de piese, configurația plăcii de circuite imprimate este mai complexă, deoarece ambele CSA-uri unidirecționale trebuie să fie plasate în imediata apropiere a rezistorului V_SENSE.

Exemple de aplicații care utilizează CSA-uri bidirecționale

CSA-urile bidirecționale sunt dispozitive versatile și se găsesc într-o mare varietate de aplicații. De exemplu, două CSA-uri pot fi utilizate într-un sistem de servomotor trifazat pentru a determina curenții instantanei de înfășurare ai tuturor celor trei faze, fără alte calcule sau informații despre fazele impulsurilor cu modulația impulsului în lățime (PWM) sau ciclurile de funcționare (Figura 2).

Figura 2: Într-o aplicație cu servomotor trifazat, două CSA bidirecționale pot fi conectate la rezistențele de detecție pentru faza 1 (_RSENSEΦ1) și faza 2 (RSENSEΦ2) pentru a genera o tensiune care să reprezinte curentul din înfășurarea celei de-a treia faze. (Sursă imagine: Analog Devices)

Legea lui Kirchhoff prevede că suma curenților din primele două înfășurări este egală cu curentul din cea de-a treia înfășurare. Circuitul utilizează două CSA-uri bidirecționale MAX40056TAUA+ pentru a măsura curenții bifazici care sunt însumați în amplificatorul operațional de uz general MAX44290ANT+T. Deoarece toate cele trei amplificatoare au aceeași tensiune de referință, se obțin măsurători logometrice.

Într-un alt exemplu, un amplificator audio din clasa D, un CSA bidirecțional individual, cum ar fi INA253A1IPW de la Texas Instruments, poate fi utilizat pentru a măsura cu precizie curentul de sarcină al difuzorului (Figura 3).

Figura 3: în proiectele audio de clasă D, un CSA bidirecțional (INA253) poate fi utilizat pentru a implementa îmbunătățiri și diagnostice ale difuzoarelor. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Măsurătorile în timp real ale curentului de sarcină al difuzorului pot fi utilizate pentru diagnosticare și pentru a optimiza performanța amplificatorului prin cuantificarea parametrilor cheie ai difuzorului și a modificărilor acestor parametri, inclusiv:

• Rezistența bobinei
• Impedanța difuzorului
• Frecvența de rezonanță și impedanța de vârf la frecvența de rezonanță
• Temperatura ambientală în timp real a difuzorului

Sfaturi de aranjare a plăcii și considerente privind șunturile de curent

Rezistența și inductanța parazită prezintă interes atunci când se implementează circuite de detectare a curentului. De asemenea, excesul de cositor și rezistența parazită de urmărire poate duce la erori de detectare. Adesea se folosesc rezistoare de detectare a curentului cu patru terminale. În cazul în care un rezistor cu patru terminale nu este o opțiune, trebuie să se utilizeze tehnicile de dispunere a plăcii electronice Kelvin (Figura 4).

Figura 4: traseele de detecție Kelvin trebuie să fie cât mai aproape posibil de plăcuțele de contact pentru lipire de pe rezistorul de detectare a curentului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Plasarea traseelor de detecție Kelvin cât mai aproape posibil de punctele de contact ale rezistorului de detecție a curentului minimizează rezistențele parazite. O spațiere mai mare a traseelor de detecție Kelvin va introduce o eroare de măsurare cauzată de rezistența suplimentară a traseelor.

Selectarea rezistorului de detecție este un aspect important al minimizării inductanței parazite. Inductanțele pachetului trebuie reduse la minimum, deoarece eroarea de tensiune este proporțională cu curentul de sarcină. În general, rezistoarele cu fir înfășurat au cea mai mare inductanță, iar dispozitivele standard cu peliculă metalică au inductanțe de nivel mediu. Pentru aplicațiile de detectare a curentului, se recomandă, în general, rezistoare cu peliculă metalică cu inductanță redusă.

Valoarea rezistorului de șuntare este un compromis între domeniul dinamic și disiparea de energie. Pentru detectarea curenților mari, se recomandă utilizarea unui șunt de valoare mică pentru a minimiza disiparea termică (I²R). În cazul detecției cu curent redus, se poate utiliza o valoare mai mare a rezistenței pentru a minimiza impactul tensiunii de compensare asupra circuitului de detecție.

Majoritatea CSA-urilor se bazează pe șunturi externe pentru a măsura curentul, dar există unele CSA-uri care utilizează șunturi de curent interne. În timp ce utilizarea șunturilor interne poate avea ca rezultat proiecte mai compacte cu mai puține componente, există mai multe compromisuri implicate, inclusiv: mai puțină flexibilitate, deoarece valoarea șuntului este predeterminată, este nevoie de un curent de repaus mai mare în comparație cu CSA-urile cu șunt extern, iar cantitatea de curent care poate fi măsurată este limitată de capacitățile șuntului intern.

CSA-uri bidirecționale de înaltă tensiune de precizie

TSC2011IST de la STMicroelectronics permite proiectanților să minimizeze disiparea de energie, profitând de capacitățile sale de precizie pentru a utiliza șunturi de curent externe cu rezistență redusă (Figura 5). Acest CSA bidirecțional este conceput pentru a furniza măsurători de curent de precizie în aplicații precum achiziția de date, controlul motoarelor, controlul solenoizilor, instrumentație, testare și măsurare și controlul proceselor.

Figura 5: TSC2011IST include un pin de oprire (SHDN) pentru a maximiza economiile de energie și funcționează în intervalul industrial de temperaturi de la -40 la 125 °C. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

TSC2011IST are un amplificator cu un câștig de 60 volți/volt (V/V), un filtru integrat de interferență electromagnetică (EMI) și o toleranță la descărcări electrostatice (ESD) de 2 kilovolți (kV) pentru modelul corpului uman (HBM) (în conformitate cu standardul JEDEC JESD22-A114F). TSC2011 poate detecta o cădere de tensiune de până la 10 milivolți (mV) la scară completă, pentru a oferi măsurători consistente. Produsul său de lățime de bandă - amplificare de 750 kilohertzi (kHz) și viteza de salt de 7,0 volți pe microsecundă (V/µs) se combină pentru a asigura o precizie ridicată și un răspuns rapid.

Proiectanții pot utiliza placa de evaluare STEVAL-AETKT1V2 pentru a începe imediat să utilizeze TSC2011IST (Figura 6). Acesta poate detecta curentul pe o gamă largă de tensiuni de mod comun, de la -20 la +70 volți. Caracteristicile TSC2011IST:

• Eroare de amplificare: 0,3% max.
• Abatere decalaj: 5 µV/°C max.
• Abatere amplificare: 10 părți pe milion (ppm)/°C max.
• Curent de repaus: 20 microamperi (µA) în modul de oprire

Figura 6: placa de evaluare STEVAL-AETKT1V2 include placa de bază și o placă secundară ce conține TSC2011IST. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

CSA bidirecțional cu șunt intern

INA253A1IPW de la Texas Instruments integrează un șunt de curent cu inductanță redusă de 2 mΩ, 0,1% și suportă tensiuni de mod comun de până la 80 de volți (Figura 7). INA253A1IPW oferă proiectanților circuite îmbunătățite de respingere PWM pentru a suprima semnalele dv/dt mari, permițând măsurători continue de curent în timp real pentru aplicații precum acționarea motoarelor și controlul supapei solenoid. Amplificatorul intern dispune de o topologie de precizie cu abatere zero, cu rapoarte de respingere a modului comun (CMRR) de >120 decibeli (dB) CMRR c.c. și 90 dB CMRR c.a. la 50 kHz.

Figura 7: CSA bidirecțional INA253A1IPW, prezentat aici într-o aplicație tipică, are un șunt de curent intern și poate măsura ±15 A de curent continuu de la -40 la +85 °C. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Proiectanții pot accelera dezvoltarea proiectelor de sisteme bazate pe INA253A1IPW prin utilizarea punctelor de testare de pe placa de evaluare INA253EVM asociată pentru a accesa pinii funcționali ai CSA (Figura 8). Placa cu două straturi măsoară 2,4 × 4,2 inch și este fabricată cu 1 uncie (oz) de cupru.

Figura 8: INA253EVM cu două straturi măsoară 2,4 × 4,2 inch și este fabricat cu 1 oz de cupru. Stratul inferior nu are componente, dar conține un plan de masă din cupru solid care asigură o cale de impedanță redusă pentru curenții de retur. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Circuitele de suport minime sunt incluse pe placa de circuite imprimate, iar funcțiile pot fi reconfigurate, eliminate sau ocolite, în funcție de necesități. INA253EVM oferă următoarele caracteristici:

• Trei dispozitive INA253A1IPW
• Acces ușor la toți pinii
• Dispunerea și construcția plăcii care suportă ±15 A de curent prin CSA-urile INA253 pe toată gama de temperaturi de la -40 la +85 °C
• Poziționați suporturi pe placa de circuite imprimate pentru alte configurații decât cea implicită

Stratul inferior nu are componente, dar conține un plan de masă din cupru solid care asigură o cale de impedanță redusă pentru curenții de retur.

CSA bidirecțional calificat AEC-Q100

Pentru a monitoriza curenții în controalele motoarelor cu punte completă, sursele de alimentare de comutare, solenoizii și acumulatorii, precum și în aplicațiile auto, proiectanții pot utiliza LT1999IMS8-20#TRPBF de la Analog Devices (Figura 9).

Figura 9: LT1999IMS8-20#TRPBF este un CSA bidirecțional într-o aplicație de monitorizare a curentului cu armătură cu punte completă. (Sursă imagine: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF are calificare AEC-Q100 pentru aplicații auto și include un mod de oprire pentru minimizarea consumului de energie. Dispozitivul utilizează un șunt extern pentru a măsura atât direcția, cât și cantitatea de curent care circulă. Acesta produce o tensiune de ieșire proporțională care este identificată la jumătatea distanței dintre tensiunea de alimentare și masă. Proiectanții au opțiunea de a aplica o tensiune externă pentru a seta nivelul de referință.

LT1999IMS8-20#TRPBF intră într-o stare de oprire de joasă putere care consumă aproximativ 3 μA atunci când V_SHDN (pinul 8) este condus până la 0,5 volți de masă. Pinii de intrare (+IN și -IN) vor absorbi aproximativ 1 nanoamper (nA) dacă sunt polarizați în intervalul de la 0 la 80 de volți (fără tensiune diferențială aplicată). Susceptibilitatea EMI este redusă de un filtru intern de suprimare EMI de ordinul¹, diferențial de trecere joasă, care ajută la respingerea semnalelor de înaltă frecvență dincolo de lățimea de bandă a dispozitivului.

Pentru a experimenta cu seria LT1999, Analog Devices oferă placa demonstrativă 1698A. Placa amplifică căderea de tensiune pe un rezistor de detectare a curentului încorporat și produce o tensiune de ieșire bidirecțională care este proporțională cu curentul care trece prin rezistor. Proiectanții pot alege dintre trei opțiuni cu amplificare fixă: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) și 50 V/V (DC1698A-C).

CSA bidirecțional cu respingere PWM

Pentru o mai bună respingere a marginilor PWM de intrare în mod comun în proiectele care controlează sarcini inductive, cum ar fi solenoizii și motoarele, proiectanții pot utiliza MAX40056TAUA+ (Figura 10). Menționat mai devreme în contextul Figurii 2, MAX40056TAUA+ este un CSA bidirecțional care poate gestiona viteze de salt de ±500 volți/µs și mai mari. Acesta are un CMRR tipic de 60 dB (50 volți, intrare ±500 volți/µs) și 140 dB c.c. Intervalul său de mod comun este de la -0,1 volți la +65 volți și include protecție împotriva tensiunilor de retur inductiv de până la -5 volți.

Figura 10: MAX40056TAUA+ include o referință internă de 1,5 volți, o respingere PWM îmbunătățită și un comparator cu geam intern integrat pentru a detecta atât condițiile de supracurent pozitiv, cât și negativ (stânga jos, condus de intrarea CIP). (Sursă imagine: Analog Devices)

Acest MAX40056TAUA+ are o referință internă de 1,5 volți care poate fi utilizată în mai multe scopuri, inclusiv:

• Conducerea unui convertor analogic digital diferențial
• Compensarea ieșirii pentru a arăta direcția curentului detectat
• Alimentarea cu curent în sarcini externe pentru a atenua reducerile de performanță

Atunci când sunt utile oscilații de ieșire mai mari la scară completă sau pentru tensiuni de alimentare de peste 3,3 volți, proiectanții pot înlocui referința internă cu o referință de tensiune externă mai mare. În cele din urmă, proiectanții pot utiliza fie referința internă, fie cea externă pentru a seta pragul de declanșare a comparatorului integrat de supracurent, oferind un semnal imediat al unei defecțiuni de supracurent.

Kitul de evaluare MAX40056EVKIT# pentru MAX40056TAUA+ oferă proiectanților o platformă dovedită pentru dezvoltarea aplicațiilor CSA bidirecționale de înaltă precizie și de înaltă tensiune, cum ar fi mecanismele de acționare ale solenoizilor și comenzile servomotoarelor.

Concluzie

Monitorizarea rapidă și precisă a curentului este necesară într-o varietate de aplicații, de la automobile, automatizări de fabrică și robotică, până la gestionarea energiei pentru servere, amplificatoare audio de clasă D și sisteme medicale. În multe cazuri, este necesară detectarea bidirecțională a curentului.

Din fericire, proiectanții pot alege dintr-o varietate de CSA-uri bidirecționale integrate și platformele de dezvoltare asociate acestora, pentru a implementa rapid și eficient monitorizarea bidirecțională rapidă și precisă a curentului.

Lectură recomandată

1. Utilizați controlul vectorial fără senzori cu motoare BLDC și PMS pentru a oferi un control precis al mișcării
2. Cum se aleg și se utilizează senzorii unghiulari pentru servodirecție, motoare și robotică