Implementación eficiente de la monitorización de la corriente mediante amplificadores bidireccionales de detección de corriente integrados

La monitorización rápida y precisa de la corriente es necesaria en una creciente variedad de aplicaciones, como los vehículos autónomos, la automatización de fábricas y la robótica, las comunicaciones, la gestión de la energía de los servidores, los amplificadores de audio de clase D y los sistemas médicos. En muchas de estas aplicaciones, se requiere la detección bidireccional de la corriente, pero tiene que hacerse de forma eficiente y con un costo mínimo.

Aunque es posible construir un amplificador de detección de corriente (CSA) bidireccional utilizando un par de CSA unidireccionales, puede ser un proceso complejo y que requiere mucho tiempo. Esto implica un amplificador óptico de carril separado para combinar las dos salidas en una salida de un solo extremo, o el uso de dos entradas de convertidor analógico-digital (ADC) en el microcontrolador, lo que requiere una codificación adicional del microcontrolador y ciclos de máquina. Por último, construir un CSA bidireccional utilizando dos CSA unidireccionales -más los componentes adicionales necesarios para integrarlos en una solución bidireccional- puede consumir más espacio en la placa de circuito, y el mayor número de piezas puede reducir la fiabilidad y aumentar los requisitos de inventario. El resultado final puede ser el sobrecoste y el retraso en el diseño.

En su lugar, los diseñadores pueden recurrir a los CSA bidireccionales integrados de alta velocidad y precisión. Pueden elegir entre CSA bidireccionales integrados con resistencias de derivación de baja inductancia internas que producen las soluciones más compactas, o CSA que utilizan derivaciones de corriente externas para proporcionar un diseño más flexible y opciones de disposición.

Este artículo repasa los requisitos de aplicación de los CSA bidireccionales y las ventajas de un enfoque más integrado. A continuación, presenta ejemplos de dispositivos de STMicroelectronics, Texas Instruments y Analog Devices, incluyendo parámetros clave y características diferenciadoras. Por último, muestra cómo empezar a diseñar con estos dispositivos, incluyendo diseños de referencia/kits de evaluación/kits de desarrollo relacionados, y consejos sobre diseño e implementación.

Cómo utilizar dos CSA unidireccionales

Un circuito CSA bidireccional puede construirse de más de una manera utilizando dos CSA unidireccionales (Figura 1). El MAX4172ESA+T de Analog Devices, utilizado en el ejemplo de la izquierda, no incluye una resistencia de carga interna, por lo que utiliza los dispositivos discretos R_a y R_b. En el ejemplo de la derecha, el MAX4173TEUT+T tiene una resistencia de carga interna de 12 kilohmios (kΩ) para convertir su salida de corriente en una tensión.

Figura 1: Las aplicaciones de detección de corriente bidireccional que utilizan dos amplificadores de detección de corriente unidireccionales pueden implementarse utilizando resistencias de carga externas (izquierda), o con una resistencia de carga interna (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Aunque no necesita las dos resistencias de carga, el circuito MAX4173TEUT+T añade un condensador de 1 nanofaradio (nF) en su retroalimentación para estabilizar el bucle de control de la parte B. En ambos casos, las corrientes de salida de los dos CSA se combinan utilizando un amplificador operacional de propósito general MAX4230AXK+T.

Ambos enfoques tienen un número de piezas superior al que se necesitaría utilizando un único CSA bidireccional. Además del mayor número de piezas, el diseño de la placa de circuito impreso es más complejo, ya que los dos CSA unidireccionales deben colocarse muy cerca de la resistencia _VSENSE.

Ejemplos de aplicaciones con CSAs bidireccionales

Los CSA bidireccionales son dispositivos versátiles y se encuentran en una gran variedad de aplicaciones. Por ejemplo, se pueden utilizar dos CSA en un sistema de servomotor trifásico para determinar las corrientes instantáneas de los devanados de las tres fases, sin necesidad de realizar ningún otro cálculo ni de obtener información sobre las fases de los impulsos de modulación de anchura de pulso (PWM) o los ciclos de trabajo (Figura 2).

Figura 2: En una aplicación de servomotor trifásico, se pueden conectar dos CSA bidireccionales a través de las resistencias de detección de la fase 1 (_RSENSEΦ1) y de la fase 2 (_RSENSEΦ2) para generar una tensión que represente la corriente en el devanado de la tercera fase. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La ley de Kirchhoff establece que la suma de las corrientes en los dos primeros devanados es igual a la corriente en el tercer devanado. El circuito utiliza dos CSA bidireccionales MAX40056TAUA+ para medir las corrientes bifásicas que se suman en el amplificador operacional de propósito general MAX44290ANT+T. Como los tres amplificadores tienen la misma tensión de referencia, se producen mediciones ratiométricas.

En otro ejemplo, un amplificador de audio de clase D, un único CSA bidireccional como el INA253A1IPW de Texas Instruments, puede utilizarse para medir con precisión la corriente de carga del altavoz (Figura 3).

Figura 3: En los diseños de audio de clase D, se puede utilizar un CSA bidireccional (INA253) para implementar mejoras y diagnósticos en los altavoces. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las mediciones en tiempo real de la corriente de carga de los altavoces pueden utilizarse para el diagnóstico y para optimizar el rendimiento del amplificador, cuantificando los parámetros clave de los altavoces y los cambios en esos parámetros, entre ellos:

• Resistencia de la bobina
• Impedancia del altavoz
• Frecuencia de resonancia y pico de impedancia a la frecuencia de resonancia
• Temperatura ambiente del altavoz en tiempo real

Consejos para el diseño de la placa y consideraciones sobre la derivación de corriente

La resistencia parásita y la inductancia son una preocupación cuando se implementan circuitos de detección de corriente. Además, el exceso de soldadura y la resistencia parásita de las trazas pueden dar lugar a errores de detección. A menudo se utilizan resistencias de detección de corriente de cuatro terminales. Si una resistencia de cuatro terminales no es una opción, debe seguirse el uso de las técnicas de diseño de placas Kelvin (Figura 4).

Figura 4: Las trazas de detección de Kelvin deben estar lo más cerca posible de las almohadillas de contacto de soldadura de la resistencia de detección de corriente. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La colocación de las trazas de detección Kelvin lo más cerca posible de los puntos de contacto de soldadura de la resistencia de detección de corriente minimiza las resistencias parásitas. Una mayor separación de las trazas de detección Kelvin introducirá un error de medición causado por la resistencia adicional de las trazas.

La selección de la resistencia de detección es un aspecto importante para minimizar la inductancia parásita. Las inductancias del paquete deben minimizarse, ya que el error de tensión es proporcional a la corriente de carga. En general, las resistencias de hilo tienen la mayor inductancia y los dispositivos estándar de película metálica tienen inductancias de nivel medio. Para las aplicaciones de detección de corriente, generalmente se recomiendan las resistencias de película metálica de baja inductancia.

El valor de la resistencia de derivación es un compromiso entre el rango dinámico y la disipación de energía. Para la detección de altas corrientes, se recomienda utilizar un shunt de bajo valor para minimizar la disipación térmica (I²R). En la detección de baja corriente, se puede utilizar un valor de resistencia más alto para minimizar el impacto de la tensión de offset en el circuito de detección.

La mayoría de los CSA se basan en derivaciones externas para medir la corriente, pero hay algunos CSA que utilizan derivaciones de corriente internas. Aunque el uso de derivaciones internas puede dar lugar a diseños más compactos con menos componentes, hay varias compensaciones implicadas, incluyendo: menos flexibilidad, ya que el valor del shunt está predeterminado, una necesidad de una mayor corriente de reposo en comparación con los CSA de derivación externo, y la cantidad de corriente que se puede medir está limitada por las capacidades del shunt interno.

CSA bidireccionales de precisión de alta tensión

El TSC2011IST de STMicroelectronics permite a los diseñadores minimizar la disipación de energía aprovechando sus capacidades de precisión para utilizar derivaciones de corriente externas de baja resistencia (Figura 5). Este CSA bidireccional está diseñado para ofrecer mediciones de corriente de precisión en aplicaciones como la adquisición de datos, el control de motores, el control de solenoides, la instrumentación, la prueba y la medición, y el control de procesos.

Figura 5: El TSC2011IST incluye un pin de apagado (SHDN) para maximizar el ahorro de energía, y funciona en el rango de temperatura industrial de -40 a 125 °C. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El TSC2011IST tiene una ganancia de amplificación de 60 voltios/voltios (V/V), un filtro de interferencias electromagnéticas (EMI) integrado y una tolerancia a las descargas electrostáticas (ESD) de 2 kilovoltios (kV) del modelo de cuerpo humano (HBM) (según la norma JEDEC JESD22-A114F). El TSC2011 puede detectar una caída de tensión tan baja como 10 milivoltios (mV) a escala completa para proporcionar mediciones consistentes. Su producto de ancho de banda de ganancia de 750 kilohercios (kHz) y su velocidad de giro de 7.0 voltios por microsegundo (V/µs) se combinan para garantizar una alta precisión y una respuesta rápida.

Los diseñadores pueden utilizar la placa de evaluación STEVAL-AETKT1V2 para empezar a utilizar rápidamente el TSC2011IST (Figura 6). Puede detectar la corriente en una amplia gama de tensiones de modo común, que van de -20 a +70 voltios. Las características del TSC2011IST:

• Error de ganancia: 0.3% máximo
• Deriva de desplazamiento: 5 µV/°C máx.
• Deriva de ganancia: 10 partes por millón (ppm)/°C máx
• Corriente de reposo: 20 microamperios (µA) en modo de apagado

Figura 6: La placa de evaluación STEVAL-AETKT1V2 incluye la placa principal y una tarjeta hija que contiene el TSC2011IST. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Derivación interna bidireccional CSA

El INA253A1IPW de Texas Instruments integra un shunt de corriente de baja inductancia de 2 mΩ y 0.1% y soporta tensiones de modo común de hasta 80 voltios (Figura 7). El INA253A1IPW proporciona a los diseñadores una circuitería de rechazo PWM mejorada para suprimir grandes señales dv/dt, lo que permite realizar mediciones de corriente continua en tiempo real para aplicaciones como el accionamiento de motores y el control de válvulas solenoides. El amplificador interno presenta una topología de precisión de deriva cero con relaciones de rechazo de modo común (CMRR) de >120 decibelios (dB) de CMRR de CC y 90 dB de CMRR de CA a 50 kHz.

Figura 7: El CSA bidireccional INA253A1IPW, mostrado aquí en una aplicación típica, tiene una derivación de corriente interna y puede medir ±15 A de corriente continua de -40 a +85 °C. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los diseñadores pueden acelerar el desarrollo de diseños de sistemas basados en el INA253A1IPW utilizando los puntos de prueba de la placa de evaluación INA253EVM asociada para acceder a los pines funcionales del CSA (Figura 8). La placa de dos capas mide 2.4 × 4.2 pulgadas y está fabricada con 1 onza (oz) de cobre.

Figura 8: El INA253EVM de dos capas mide 2.4 × 4.2 pulgadas y está fabricado con 1 onza de cobre. La capa inferior no tiene componentes, pero contiene un plano de tierra de cobre sólido que proporciona una ruta de baja impedancia para las corrientes de retorno. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En la placa de circuito impreso se incluyen unos circuitos de apoyo mínimos, y las funciones pueden reconfigurarse, eliminarse o puentearse según sea necesario. El INA253EVM ofrece las siguientes características:

• Tres dispositivos INA253A1IPW
• Fácil acceso a todas las clavijas
• Diseño y construcción de la placa que soporta ±15 A de corriente a través de los CSAs de la INA253 en todo el rango de temperatura de -40 a +85°C
• Colocar soportes en la placa de circuito impreso para configuraciones distintas a la predeterminada

La capa inferior no tiene componentes, pero contiene un plano de tierra de cobre sólido que proporciona una ruta de baja impedancia para las corrientes de retorno.

CSA bidireccional con calificación AEC-Q100

Para supervisar las corrientes en controles de motores de puente completo, fuentes de alimentación conmutadas, solenoides y paquetes de baterías, así como en aplicaciones de automoción, los diseñadores pueden utilizar el LT1999IMS8-20#TRPBF de Analog Devices (Figura 9).

Figura 9: El LT1999IMS8-20#TRPBF es un CSA bidireccional en una aplicación de monitorización de corriente de armadura de puente completo. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El LT1999IMS8-20#TRPBF cuenta con la calificación AEC-Q100 para aplicaciones de automoción e incluye un modo de apagado para minimizar el consumo de energía. El dispositivo utiliza una derivación externa para medir tanto la dirección como la cantidad de corriente que fluye. Produce una tensión de salida proporcional que está referenciada a medio camino entre la tensión de alimentación y tierra. Los diseñadores tienen la opción de aplicar una tensión externa para establecer el nivel de referencia.

El LT1999IMS8-20#TRPBF entra en un estado de apagado de bajo consumo que consume aproximadamente 3 μA cuando _VSHDN (Pin 8) se conduce a 0.5 voltios de tierra. Los pines de entrada (+IN y -IN) consumen aproximadamente 1 nanoamperio (nA) si están polarizados dentro del rango de 0 a 80 voltios (sin tensión diferencial aplicada). La susceptibilidad a la EMI se reduce gracias a un filtro de supresión de EMI diferencial de ^primer orden que ayuda a rechazar las señales de alta frecuencia más allá del ancho de banda del dispositivo.

Para experimentar con la serie LT1999, Analog Devices proporciona la placa de demostración 1698A. La placa amplifica la caída de tensión a través de una resistencia de detección de corriente incorporada y produce una tensión de salida bidireccional que es proporcional a la corriente que pasa por la resistencia. Los diseñadores pueden elegir entre tres opciones de ganancia fija: 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) y 50 V/V (DC1698A-C).

CSA bidireccional con rechazo PWM

Para mejorar el rechazo de los bordes PWM de entrada en modo común en diseños que controlan cargas inductivas como solenoides y motores, los diseñadores pueden utilizar el MAX40056TAUA+ (Figura 10). Mencionado anteriormente en el contexto de la Figura 2, el MAX40056TAUA+ es un CSA bidireccional que puede manejar velocidades de giro de ±500 voltios/µs y superiores. Tiene una CMRR típica de 60 dB (50 voltios, ±500 voltios/µs de entrada) y 140 dB de CC. Su rango de modo común es de -0.1 voltios a +65 voltios e incluye protección contra tensiones de retroceso inductivo de hasta -5 voltios.

Figura 10: El MAX40056TAUA+ incluye una referencia interna de 1.5 voltios, un rechazo de PWM mejorado y un comparador de ventana interno integrado para detectar condiciones de sobrecorriente positivas y negativas (abajo a la izquierda, impulsado por la entrada CIP). (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Este MAX40056TAUA+ tiene una referencia interna de 1.5 voltios que se puede utilizar para múltiples propósitos, incluyendo:

• Accionamiento de un convertidor analógico-digital diferencial
• Desplazamiento de la salida para mostrar la dirección de la corriente detectada
• La corriente en las cargas externas para mitigar las reducciones de rendimiento

Cuando son útiles oscilaciones de salida a escala completa más altas, o para tensiones de alimentación superiores a 3.3 voltios, los diseñadores pueden anular la referencia interna con una referencia de tensión externa más alta. Por último, los diseñadores pueden utilizar la referencia interna o externa para establecer el umbral de disparo del comparador de sobrecorriente integrado, proporcionando una señal inmediata de un fallo de sobrecorriente.

El kit de evaluación MAX40056EVKIT# para el MAX40056TAUA+ proporciona a los diseñadores una plataforma probada para el desarrollo de aplicaciones CSA bidireccionales de alta precisión y alto voltaje, como accionamientos de solenoides y controles de servomotores.

Conclusión:

La monitorización rápida y precisa de la corriente es necesaria en una gran variedad de aplicaciones, desde la automoción, la automatización de fábricas y la robótica, hasta la gestión de la energía de los servidores, los amplificadores de audio de clase D y los sistemas médicos. En muchos casos, se necesita una detección de corriente bidireccional.

Afortunadamente, los diseñadores pueden elegir entre una variedad de CSAs bidireccionales integrados, y sus plataformas de desarrollo asociadas, para implementar rápida y eficientemente una monitorización de corriente bidireccional rápida y precisa.

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