Cómo seleccionar y aplicar las tecnologías inteligentes de monitoreo y detección de corriente (en lugar de fusibles)

Tradicionalmente, la protección de un diseño contra una condición de sobrecorriente implicaba la incorporación de un fusible en línea. Estos son esencialmente resistores que se calientan y derriten cuando una corriente excesiva fluye a través de ellos, lo que causa un circuito abierto y la interrupción del flujo de corriente. Sin embargo, un fusible es una solución rudimentaria y, reemplazarlos puede llevar demasiado tiempo y ser costoso, especialmente en lugares remotos.

Una solución más sofisticada es monitorear la corriente en tiempo real con el fin de detectar posibles situaciones de sobrecorriente antes de que ocurran y tomar medidas preventivas adecuadas. Este artículo se centra en los principios y componentes subyacentes que componen un sistema de detección de sobrecorriente; fuentes de error y cómo evitarlas; y ejemplos de su uso.

Técnicas de monitoreo de corriente

Existen varias técnicas para monitorear la corriente en función del tipo (CA o CC) y la magnitud de la corriente que se mide.

En la medición directa, la corriente que se mide fluye a través del dispositivo de medición, que puede ser un resistor de derivación o un transistor. Este método brinda una solución pequeña de bajo costo y alta precisión y, por lo general, es la preferida cuando es posible.

Muchas aplicaciones requieren la medición indirecta de la corriente, lo que proporciona aislamiento galvánico entre el conductor de corriente y el dispositivo de medición. El método indirecto mide un parámetro relacionado con la corriente, como el campo magnético inducido por la corriente en una bobina.

Esta técnica es de alta precisión, pero es demasiado compleja y costosa para ser considerada como un reemplazo de los fusibles en la mayoría de las aplicaciones de sobrecorriente. En lugar de esto, vamos a echar un vistazo a tres métodos directos de medición que utilizan un resistor de detección de corriente o un MOSFET de alimentación como elemento de detección.

Es cierto que la adición de otro nivel de sofisticación puede aumentar el costo de BOM, pero en algunos casos los circuitos pueden estar ya disponibles, como la capacidad del microcontrolador no utilizada, que se puede utilizar para agregar funcionalidad a un bajo costo. En otros casos, considerar el costo total de propiedad (TCO) puede lograr que el costo añadido valga la pena si se ahorra un viaje hacia un lugar remoto para cambiar un fusible.

Medición directa utilizando un resistor de detección de corriente

El enfoque directo más simple es medir la corriente con un resistor de detección de corriente de derivación (serie), un método directo que tiene las ventajas de simplicidad y linealidad. El voltaje en el resistor representa la magnitud de la corriente de acuerdo con la Ley de Ohm V = I x R.

Para las aplicaciones de precisión de corriente alta como la administración de batería automotriz, Vishay ofrece resistores de derivación especializados, como el WSBS8518L1000JK, como una parte independiente o integrada en un gabinete moldeado (WSBM8518L1000JK) para facilitar la conexión de la placa de CI (Figura 1).

Figura 1: El enfoque directo más simple es medir la corriente con un resistor de detección de corriente de derivación (serie) como el resistor de derivación de precisión discreta WSBS8515L100JK de Vishay Dale (parte superior) o su gabinete asociado (parte inferior). (Imagen cortesía de Vishay Dale)

El gabinete incorpora un receptáculo hembra de 4 clavijas que se acopla con un conector estándar Molex. La resistencia puede ser tan baja como 100 μΩ, con una inductancia de menos de 5 nH y un coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) de menos de ±20 ppm/ºC.

Detección de nivel alto y nivel bajo

Cuando se utiliza un resistor de derivación, puede insertarlo entre la carga y el retorno (detección de nivel bajo) o entre la carga y la fuente de alimentación (detección de nivel alto).  La detección de nivel bajo tiene la ventaja de brindar simplicidad y bajo costo, dado que el resistor de derivación se conecta a tierra y se puede adaptar usando un amplificador operacional estándar.  Una desventaja es que un sensor de nivel bajo no puede detectar un circuito abierto o pequeño en nivel bajo de la carga. La resistencia de derivación también añade una resistencia en el recorrido de tierra, que puede ser inaceptable en algunas aplicaciones.

La detección de nivel alto no introduce ninguna alteración de tierra, pero hay un voltaje de modo común en cada lado del resistor de derivación que puede exceder el rango de modo común de un amplificador operacional estándar o extenderse más allá de su voltaje de alimentación.

CI de resistor de derivación

Hay muchos CI específicamente diseñados para detectar condiciones de sobrecorriente, como el comparador de detección de corriente INA300 de Texas Instruments. El INA300 opera desde una fuente de 5 V, pero puede adaptarse a un voltaje de modo común de hasta 36 V. El umbral de sobrecorriente es ajustable y se puede configurar mediante un convertidor digital a analógico (DAC) o un resistor externo. El tiempo de respuesta puede variar entre 10 μs y 100 μs. La clavija de salida de alerta sigue el estado de entrada (modo transparente) o se acopla después de una condición de sobrecorriente. En el modo pestillo, el microcontrolador del sistema quita el pestillo para confirmar la recepción de la alerta.

Figura 2: El INA300 de Texas Instruments brinda protección contra una condición de sobrecorriente con muchas características incluido el voltaje de umbral programable y el tiempo de respuesta. (Imagen cortesía de Texas Instruments)

Aunque cualquier aplicación de control de corriente puede incorporar la detección de sobrecorriente comparando la corriente con un valor de referencia internamente en el microcontrolador del sistema, algunas aplicaciones como el control del motor industrial y los convertidores CC/CC pueden requerir la detección de sobrecorriente de alta velocidad para evitar daños a los componentes descendentes.

La figura 3 muestra un sistema de control de corriente con un circuito de protección de alta velocidad independiente. El AD8211 de Analog Devices amplía el voltaje en el resistor de derivación y suministra la señal de retroalimentación para el bucle de control. El dispositivo rechaza voltajes de modo común de hasta 65 V y proporciona una salida de búfer con referencia de tierra adecuada para la conexión con un convertidor analógico a digital (ADC).

Figura 3: El AD8211 y AD8214 forman un sistema de monitoreo y detección de corriente que puede responder a una condición de sobrecorriente en menos de 100 ns. (Imagen cortesía de Analog Devices Inc.)

La función de protección es proporcionada por otra pieza de Analog Devices, el AD8214. Este es un comparador de derivación de corriente con voltaje alto de modo común y respuesta rápida que puede proporcionar una señal de detección de sobrecorriente en apenas 100 ns. El AD8214 dispone de un regulador Zener interno que le permite funcionar a partir de un voltaje de alimentación de hasta 65 V.

Fuentes de error

Para las aplicaciones de baja corriente, es posible minimizar el costo y usar una resistencia de gran disipación estándar como una derivación para medir la corriente, pero la tolerancia de la derivación afecta directamente la precisión de la detección de sobrecorriente. Un valor de resistor mayor no solo aumenta la magnitud de la señal sino que también genera más calor y podría ocasionar un costo adicional como un disipador de calor u otros métodos de gestión térmica que pudieran ser necesarios.

Si el resistor de derivación se usa como parte de un sistema de control, como se muestra en la figura 3, la señal de voltaje tendrá un gran rango dinámico, por lo que se prefiere un resistor de precisión con baja tolerancia y un bajo coeficiente de temperatura de resistencia (TCR). 

Detección de corriente basada en Rds_(encendido)

Otra forma de detectar una condición de sobrecorriente es eliminar el resistor de derivación y usar el propio MOSFET de alimentación como elemento de detección. La figura 4 muestra el controlador de MOSFET de Infineon AUIR3200S, que incluye la protección contra cortocircuitos.

Figura 4: El AUIR3200S es un controlador de MOSFET con detección de sobrecargas y compensación de temperatura integradas. (Imagen cortesía de Infineon Technology)

El dispositivo detecta la caída de voltaje a través del FET de alimentación, que es una función de la corriente de carga y el RDS_(ENCENDIDO) del FET. Cuando el MOSFET se activa, el voltaje en la fuente V_S se obtiene mediante la siguiente ecuación:

V_S es la entrada a la clavija de la fuente (S) del AUIR3200S, donde se compara con un voltaje de referencia V_DS.

I_VDS se establece en 1 mA con una fuente de corriente interna, por lo que R_VDS determina de manera efectiva el valor de V_DS. V_BAT también puede variar, especialmente en una aplicación automotriz, pero no afecta la comparación de los dos voltajes.

Cuando se produce una condición de sobrecorriente, V_S excede V_DS, esto activa el comparador interno y se apaga el MOSFET.

Para reducir los errores, se deberá elegir un valor de tolerancia bajo para R_VDS. El valor de RDS_(ENCENDIDO) de un MOSFET de alimentación es relativamente insensible para drenar corriente, pero aumenta al incrementarse la temperatura de empalme, TJ. Para compensar esto, se ha diseñado un coeficiente de temperatura positivo en la fuente de corriente I_VDS de AUIR3200S. Tenga en cuenta que el AUIR3200S debe ensamblarse lo más cerca posible al MOSFET para ayudar a igualar las temperaturas de los dos dispositivos.

Medición directa en aplicaciones de alta corriente

Para las aplicaciones de alta corriente, el resistor de derivación puede añadir demasiado calor para ser viable, especialmente en entornos de alta temperatura, como módulos automóviles bajo el capó. En estos casos, un MOSFET de intercambio de corriente puede ser la solución porque ofrece un método de medición de corriente de baja pérdida. 

¿Cómo funciona un MOSFET de intercambio de corriente? Los MOSFET de alimentación modernos comprenden miles de células de transistores idénticos conectadas en paralelo para minimizar la resistencia en estado encendido total (RDS_(ENCENDIDO)). Un MOSFET de detección de corriente utiliza una pequeña parte de estas células en paralelo para formar un segundo MOSFET de bajo consumo (también llamado senseFET) que está aislado del dispositivo de alimentación, con una puerta y drenaje común pero una fuente independiente que sale como una clavija de DETECCIÓN. La figura 5 muestra el circuito equivalente.

Figura 5: Circuito equivalente de un MOSFET de detección de corriente que se puede utilizar para la medición directa en aplicaciones de alta corriente. (Imagen cortesía deNXP Semiconductors)

Cuando el transistor de alimentación principal está encendido, la clavija de DETECCIÓN da salida a un I_DETECCIÓN de corriente que es proporcional al de la carga principal: una relación típica es de 1:500 o 0.2 %.

La figura 6 muestra un circuito típico utilizado con un MOSFET de detección de corriente. Un doble circuito de amplificador operacional convierte a I_DETECCIÓN en una entrada de voltaje para el microcontrolador del sistema.

Figura 6: Conexión de un MOSFET de intercambio de corriente a un microcontrolador de sistema. (Imagen cortesía de NXP Semiconductors)

El IXTN660N04T4 de IXYS es un ejemplo de un FET de detección de corriente de canal N para las aplicaciones de alta corriente. Este dispositivo puede manejar una corriente de drenaje de hasta 660 A.

La precisión del circuito de monitoreo de corriente depende de la tolerancia de R_DETECCIÓN, pero para el uso de reemplazo de fusibles, 5 % o 10 % es más que aceptable. La salida de detección de un típico FET de detección de corriente presenta una variación de ±5 %; sin embargo, su rendimiento es aceptable para situaciones de sobrecorriente o cortocircuito. El V_{DE SALIDA} de la señal de corriente en la figura 6 es de naturaleza analógica y se conecta a una entrada de un convertidor analógico a digital (ADC), pero en cambio el circuito externo puede modificarse fácilmente para generar una señal digital de sobrecorriente.

Conclusión

Para la protección contra sobrecorriente y cortocircuitos, los diseñadores tienen muchas opciones más que un simple fusible. Aunque el hecho de añadir otro nivel de sofisticación puede aumentar el costo de BOM, el hecho de considerar el costo total de propiedad (TCO) puede hacer que el costo añadido valga la pena y puede disminuir el costo total durante la vida útil del producto.