Detecția curentului este o funcție esențială într-o gamă largă de dispozitive electronice, cum ar fi surse de alimentare, sisteme de management al bateriei, drivere de motoare electronice și rețele de energie regenerabilă. Pentru ca acestea să fie protejate și să funcționeze eficient, este necesară o detectare precisă și fiabilă a curentului.
Totuși, există provocări în ceea ce privește măsurarea curentului odată cu creșterea densității de putere a dispozitivelor, iar obiectivul este, întotdeauna, de a face mai mult cu mai puțin, inclusiv reducerea la minimum a dimensiunii plăcii de circuit. În acest context de constrângeri de spațiu și de densitate mare de putere, senzorii de curent integrați (ICS) joacă un rol vital.
Figura 1: ICS încorporează conductorul primar, 2 elemente de detecție, circuitele de procesare a semnalelor și unele caracteristici dedicate, cum ar fi detectarea defecțiunilor și izolația. (© LEM)
Perfecte pentru o gamă largă de aplicații auto, industriale sau rezidențiale, dispozitivele ICS sunt senzori de curent bazați pe efectul Hall, care încorporează conductorul de curent, elementele de detecție, circuitul de tratare a semnalului, unele caracteristici dedicate, cum ar fi detectarea defecțiunilor și izolația, într-o singură capsulă.
Detecția bazată pe efect Hall este o metodă de măsurare fără contact a câmpului magnetic indus de curent. Celula Hall este elementul de detecție care transformă o modificare a câmpului magnetic într-o modificare a rezistenței sale, iar atunci când un curent constant trece prin celula Hall, aceasta va produce o modificare a tensiunii de ieșire proporțională cu câmpul magnetic.
LEM, lider în domeniul măsurătorilor electrice de-a lungul a 50 de ani, dezvoltă în permanență noi tehnologii pentru a se potrivi nevoilor în schimbare ale clienților din sectoarele pe care le deservește, motiv pentru care compania a ales să investească într-o soluție proprie de proiectare a dispozitivelor ICS fiind acum în plin proces de dezvoltare a unei game ICS complete.
Există patru beneficii cheie care ilustrează de ce LEM consideră că senzorii de curent integrați reprezintă o investiție solidă.
Structură fără miez de ferită
Senzorii de curent cu efect Hall tradiționali utilizează un miez de ferită în jurul conductorului de curent și al elementelor de detecție pentru a concentra câmpul magnetic. Acest miez oferă, de asemenea, protecție împotriva câmpurilor magnetice externe nedorite și a zgomotului. Măsurarea diferențială face posibilă eliminarea miezului de ferită, utilizând două elemente de detecție (celulele Hall) ambele recepționând câmpul magnetic care urmează să fie măsurat – unul cu factor pozitiv, celălalt negativ. Diferența dintre cele două câmpuri permite anularea oricăror câmpuri magnetice suplimentare nedorite.
Senzorii de curent integrați profită de măsurarea diferențială pentru a evita utilizarea unui miez de ferită. Eliminarea acestuia oferă o serie de avantaje în aplicațiile embedded. De exemplu, costul dispozitivului este redus, densitatea de putere pe partea de detecție crește mecanic (până la 75A în aplicații de 800V pentru produsele ICS de la LEM), iar măsurarea nu este afectată de histerezisul magnetic (atunci când un câmp magnetic extern este aplicat unui feromagnetic, iar dipolii atomici se aliniază cu acesta). În sfârșit, frecvența și lățimea de bandă nu sunt limitate de saturația inerentă a elementului magnetic al miezului.
Izolație încorporată
Figura 2: Atunci când curentul depășește un prag maxim, OCD-ul permite microcontrolerului să reacționeze cu o întârziere minimă. (© LEM)
Unele sisteme au nevoie de o anumită izolare pentru a proteja utilizatorul final, ceea ce înseamnă că interfața cu utilizatorul trebuie să fie separată fizic de rețeaua de înaltă tensiune (HV – High Voltage) și nu poate partaja același nivel de referință de tensiune. Un ICS integrează funcția de izolare în interiorul (izolare galvanică) și în exteriorul (distanțe ‘creepage’ și ‘clearance’) dispozitivului, ceea ce înseamnă că nu există nicio conexiune fizică între conductorul primar, prin care curge curentul de înaltă tensiune și circuitul secundar cu cipul ASIC (Application Specific Integrated Circuit) și pinii secundari. Aceste două părți comunică doar prin intermediul câmpului magnetic produs de fluxul de curent.
ASIC-ul din ICS este produs prin tehnologia CMOS de fabricare a semiconductorilor, care permite integrarea unor caracteristici specifice în componentă fără adăugarea de hardware. De exemplu, toate elementele analogice și digitale necesare pentru detecția, amplificarea și procesarea semnalului sunt fabricate pe o singură plăcuță semiconductoare, ceea ce asigură, de asemenea, un consum și disipare de putere reduse.
De asemenea, detecția supracurentului (OCD – Over-current detection) este un factor important. Datorită OCD-ului intern, atunci când curentul depășește un prag, acesta generează un semnal care este trimis pe un pin de avarie dedicat. Acest lucru permite microcontrolerului aplicației să primească informațiile de alertă cu o întârziere minimă. În caz contrar, acțiunea ar trebui să fie efectuată intern și să se bazeze pe nivelul curentului trimis de senzor, ceea ce ar dura mult mai mult timp.
Compensare și funcții integrate suplimentare
În ceea ce privește compensarea pentru stres și temperatură, dacă circuitul ASIC este supus unor solicitări mecanice, acest lucru poate crea o derivă a sensibilității (același lucru se poate întâmpla în cazul unor variații de temperatură de la -40°C la +125°C). Senzorii interni din ASIC compensează această derivă pentru a garanta o sensibilitate liniară și precisă pe o gamă largă de condiții. Într-o proiectare bazată pe componente discrete, temperatura șuntului variază foarte mult în funcție de pierderile rezistive, ceea ce necesită o etapă suplimentară de proiectare la nivelul microcontrolerului pentru a compensa cu precizie acest lucru. În schimb, o soluție ICS este de tip plug-and-play.
Tradițional, ieșirea de tensiune este întotdeauna proporțională cu valoarea curentului măsurat, dar există două tensiuni de referință posibile. Dacă se utilizează modul ratiometric, Vout se exprimă ca procent din tensiunea de alimentare Vcc și necesită o alimentare stabilă de tensiune. În modul fix (non-ratiometric), Vout este comparat cu o tensiune de referință externă Vref. În acest caz, semnalul proporțional este Vout minus Vref, însă atunci când curentul care trebuie măsurat este 0A, Vout = Vref – cu alte cuvinte, tensiunea de referință stabilește tensiunea de ieșire de repaus (modul cu curent zero).
LEM a dezvoltat două familii de ICS-uri, seria HMSR și seria GO. Dispozitivele ICS HMSR și GO-SMS de la LEM dispun de OCD-uri interne și externe pentru o protecție maximă a sistemului și sunt, de asemenea, disponibile cu ieșiri ratiometrice și cu tensiune fixă la comandă, în funcție de caracteristicile sistemului. În timp ce seria HMSR de la LEM oferă o imunitate suplimentară cu miezul său integrat, seria GO de la LEM profită din plin de măsurătorile diferențiale pentru a oferi toate performanțele unui senzor de curent Hall într-o capsulă compactă, cu montare pe suprafață, de tip SOIC (Small outline integrated circuit) – SOIC8 sau 16. De exemplu, modelul GO-SMS de la LEM poate garanta o izolare standard de până la 2088V și o izolare consolidată de 1041V (tensiune DC sau tensiune de lucru de vârf) în conformitate cu IEC 62368-1.
Plug-and-play prin proiectare
Pe scurt, senzorii de curent integrați permit proiectanților să realizeze funcția de detecție a curentului cu o abordare plug-and-play și cu aproape toate provocările lor rezolvate utilizând o singură componentă. Integrarea mecanică completă și pierderile de putere foarte mici permit ca amprenta unui ICS să fie cât mai mică posibil, cu zero provocări termice.
Prin proiectare, măsurarea fără contact cu izolare galvanică și distanțe standard de creepage și clearance determină ca dispozitivele ICS să fie potrivite pentru aplicații de înaltă tensiune și pot susține o strategie de proiectare cu izolare consolidată. Capsulele mai mici, cu mai puțină izolare și cu mai puține caracteristici, pot reduce prețul pentru a fi competitive din punct de vedere al costurilor, acolo unde izolarea nu este necesară (< 60Vdc). Această flexibilitate în definirea produsului permite ca circuitele ICS de la LEM să fie potrivite pentru diverse produse, fie că este vorba de aplicații cost-eficiente, fie că sunt proiecte cu izolare de înaltă calitate.
Performanța ICS-urilor nu este compromisă, deoarece tot tratamentul semnalului se face în capsulă cu elemente semiconductoare. Acest lucru permite integrarea unor mecanisme de protecție ad-hoc, specifice sistemului, cum ar fi detecția rapidă a supracurentului. În funcție de arhitectura sistemului și de opțiunile de proiectare, ieșirea de tensiune proporțională cu curentul poate fi raportată la tensiunea de alimentare Vcc sau la un Vref extern.
Este clar, așadar, că senzorii de curent integrați sunt ideali într-o gamă largă de aplicații în care sunt necesare control precis, eficiență și protecție. Mai mult, cele mai recente dispozitive ICS de la LEM se pretează în special la aplicații în care spațiul este limitat și este necesară o densitate de putere ridicată.
Privind înainte pe acest front, LEM are o foaie de parcurs ambițioasă pentru a dezvolta și mai multe produse ICS care să răspundă nevoilor specifice clienților săi. Următoarea etapă pe această foaie de parcurs va fi lansarea HMSR DA, primul ICS cu ieșire digitală sigma delta bitstream.
Autor:
Charles Flatot-Le Bohec,
Global Product Manager for e-mobility