Implementar eficientemente o monitoramento da corrente usando amplificadores sensíveis à corrente bidirecional integrados

É necessário um monitoramento de corrente rápido e preciso em uma variedade crescente de aplicações, incluindo veículos autônomos, automação e robótica de fábrica, comunicações, gerenciamento de energia de servidores, amplificadores de áudio de classe D e sistemas médicos. Em muitas dessas aplicações, a detecção de corrente bidirecional é necessária, mas precisa ser feita de forma eficiente e a um custo mínimo.

Embora seja possível construir um amplificador sensível à corrente bidirecional (CSA) usando um par de CSA unidirecionais, pode ser um processo complexo e demorado. Envolve um amplificador operacional rail-to-rail separado para combinar as duas saídas em uma única saída, ou o uso de duas entradas de conversor analógico-digital (ADC) no microcontrolador, o que requer codificação e ciclos de máquina adicional do microcontrolador. Finalmente, construir um CSA bidirecional usando dois CSA unidirecionais — mais os componentes adicionais necessários para integrá-los em uma solução bidirecional — pode consumir mais espaço na placa de circuito, e a maior quantidade de peças pode reduzir a confiabilidade e aumentar as exigências de estoque. O resultado final pode superar o custo e o cronograma de projeto.

Em vez disso, os projetistas podem recorrer aos CSAs bidirecionais integrados, de alta velocidade e precisão. Eles podem selecionar entre CSAs bidirecionais integrados com resistores shunt internos de baixa indutância que produzem as soluções mais compactas, ou CSAs que utilizam shunts externos de corrente para fornecer um projeto mais flexível e opções de layout.

Este artigo analisa os requisitos de implementação de CSAs bidirecionais e os benefícios de uma abordagem mais integrada. Em seguida, apresenta exemplos de dispositivos da STMicroelectronics, Texas Instruments e Analog Devices, incluindo parâmetros-chave e características diferenciadoras. Finalmente, mostra como iniciar projetos com esses dispositivos, incluindo projetos de referência/kits de avaliação/kits de desenvolvimento, e dicas sobre projeto e implementação.

Como usar dois CSAs unidirecionais

Um circuito CSA bidirecional pode ser construído de maneiras diferentes usando dois CSA unidirecionais (Figura 1). O MAX4172ESA+T da Analog Devices, usado no exemplo à esquerda, não inclui um resistor de carga interno e, portanto, usa os dispositivos discretos R_a e R_b. No exemplo à direita, o MAX4173TEUT+T tem um resistor de carga interno de 12 quilo-ohm (kΩ) para converter sua saída de corrente em uma tensão.

Figura 1: Aplicações sensíveis à corrente bidirecional usando dois amplificadores sensíveis à corrente unidirecional podem ser implementadas usando resistores de carga externos (esquerda), ou com um resistor de carga interno (direita). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Embora não precise dos dois resistores de carga, o circuito MAX4173TEUT+T adiciona um capacitor de 1 nanofarad (nF) em sua realimentação para estabilizar a malha de controle da Parte B. Em ambos os casos, as correntes de saída dos dois CSAs são combinadas usando um amplificador operacional de uso geral MAX4230AXK+T.

Ambas as abordagens têm quantidade de peças superiores ao que seria necessário utilizando um único CSA bidirecional. Além da quantidade maior de peças, o layout da placa de circuito é mais complexo, já que ambos os CSAs unidirecionais precisam ser colocados nas proximidades do resistor V_SENSE.

Exemplos de aplicação usando CSAs bidirecionais

Os CSAs bidirecionais são dispositivos versáteis e são encontrados em uma grande variedade de aplicações. Por exemplo, dois CSAs podem ser usados em um sistema de servo motor trifásico para determinar as correntes instantâneas do enrolamento das três fases, sem qualquer outro cálculo ou informação sobre as fases de modulação de largura de pulso (PWM) ou ciclos de trabalho (Figura 2).

Figura 2: Em uma aplicação de servo motor trifásico, dois CSAs bidirecionais podem ser conectados através de resistores de detecção para a fase 1 (R_SENSEΦ1) e fase 2 (R_RSENSEΦ2) para gerar uma tensão representando a corrente no enrolamento da terceira fase. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A Lei de Kirchhoff afirma que a soma das correntes nos dois primeiros enrolamentos é igual à corrente no terceiro enrolamento. O circuito usa dois CSA bidirecionais MAX40056TAUA+ para medir as correntes de duas fases que são somadas no amplificador operacional de uso geral MAX44290ANT+T. Como todos os três amplificadores têm a mesma tensão de referência, são produzidas medidas raciométricas.

Em outro exemplo, um amplificador de áudio de Classe-D, um único CSA bidirecional como o INA253A1IPW da Texas Instruments, pode ser usado para medir com precisão a corrente da carga do alto-falante (Figura 3).

Figura 3: Em projetos de áudio de classe D, um CSA bidirecional (INA253) pode ser usado para implementar melhorias e diagnósticos do alto-falante. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

As medições em tempo real da corrente de carga do alto-falante podem ser usadas para diagnóstico e para otimizar o desempenho do amplificador, quantificando os parâmetros-chave do alto-falante e as mudanças nesses parâmetros, inclusive:

• Resistência da bobina
• Impedância do alto-falante
• Frequência ressonante e impedância de pico na frequência ressonante
• Temperatura ambiente em tempo real do alto-falante

Dicas de layout da placa e considerações sobre o shunt de corrente

A indutância e resistência parasita são uma preocupação ao implementar circuitos de detecção de corrente. Além disso, o excesso de solda e a resistência de trilha parasita podem resultar em erros de detecção. Os resistores de quatro terminais sensíveis à corrente são usados frequentemente. Se um resistor de quatro terminais não for uma opção, o uso de técnicas Kelvin de layout de placas deve ser seguido (Figura 4).

Figura 4: As trilhas sensoriais Kelvin devem estar o mais próximo possível dos eletrodos de contato da solda no resistor de detecção de corrente. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A colocação das trilhas sensoriais Kelvin o mais próximo possível dos pontos de contato de solda do resistor detecção de corrente minimiza as resistências parasitas. Um espaçamento mais amplo das trilhas sensoriais Kelvin introduzirá um erro de medição causado pela resistência adicional da trilha.

A seleção do resistor de detecção é um aspecto importante para minimizar a indutância parasita. As indutâncias do invólucro devem ser minimizadas, já que o erro de tensão é proporcional à corrente de carga. Em geral, os resistores de fio têm a maior indutância e os dispositivos padrões de filme metálico têm indutâncias medianas. Para aplicações sensíveis à corrente, são geralmente recomendados resistores de filme metálico de baixa indutância.

O valor do resistor shunt é um compromisso entre a faixa dinâmica e a dissipação de potência. Para a detecção de corrente alta, é recomendado o uso de um shunt de baixo valor para minimizar a dissipação térmica (I²R). Na detecção de corrente baixa, um valor de resistência maior pode ser usado para minimizar o impacto da tensão de offset sobre o circuito de detecção.

A maioria dos CSAs depende de shunts externos para medir a corrente, mas há alguns CSAs que utilizam shunts internos de corrente. Embora o uso de shunts internos possa resultar em projetos mais compactos com menos componentes, há vários contratempos envolvidos, incluindo; menos flexibilidade, já que o valor do shunt é pré-determinado, a necessidade de uma corrente quiescente maior em comparação com os CSAs de shunt externos, e a quantidade de corrente que pode ser medida é limitada pelas capacidades do shunt interno.

CSAs bidirecionais de alta tensão de precisão

O TSC2011IST da STMicroelectronics permite aos projetistas minimizar a dissipação de potência, aproveitando suas capacidades de precisão para usar shunts externos de corrente de baixa resistência (Figura 5). Este CSA bidirecional é projetado para fornecer medições de corrente de precisão em aplicações como aquisição de dados, controle de motores, controle de solenóides, instrumentação, teste e medição, e controle de processos.

Figura 5: O TSC2011IST inclui um pino de desligamento (SHDN) para maximizar a economia de energia, e opera na faixa de temperatura industrial de -40 a 125 °C. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

O TSC2011IST tem um ganho de amplificador de 60 volts/volt (V/V), um filtro integrado de interferência eletromagnética (EMI), e tolerância à descarga eletrostática (ESD) de 2 quilovolts (kV) para o modelo do corpo humano (HBM) (de acordo com a norma JEDEC JESD22-A114F). O TSC2011 pode detectar uma queda de tensão tão baixa quanto 10 milivolts (mV) de fundo de escala para fornecer medições consistentes. Seu produto de largura de banda-ganho de 750 quilohertz (kHz) e taxa de inclinação de 7,0 volts por microssegundo (V/µs) se combinam para garantir alta precisão e uma resposta rápida.

Os projetistas podem usar a placa de avaliação STEVAL-AETKT1V2 para começar a usar rapidamente o TSC2011IST (Figura 6). Ela pode detectar corrente em uma ampla gama de tensões de modo comum, variando de -20 a +70 volts. O TSC2011IST apresenta:

• Erro de ganho: máx. de 0,3 %
• Deriva de offset: máx. de 5 µV/°C
• Deriva de ganho: máx. de 10 partes por milhão (ppm)/°C
• Corrente quiescente: 20 microamperes (µA) em modo de desligamento

Figura 6: A placa de avaliação STEVAL-AETKT1V2 inclui a placa principal e uma placa-filha contendo o TSC2011IST. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

CSA bidirecional de shunt interno

O INA253A1IPW da Texas Instruments integra um shunt de corrente de baixa indutância de 2 mΩ e 0,1 % e suporta tensões de modo comum de até 80 volts (Figura 7). O INA253A1IPW fornece aos projetistas circuitos de rejeição PWM aprimorados para suprimir grandes sinais dv/dt, permitindo medições de corrente contínua em tempo real para aplicações como acionamento de motores e controle de válvulas solenóides. O amplificador interno apresenta uma topologia de precisão de deriva-zero com razões de rejeição de modo comum (CMRR) >120 decibéis (dB) CC CMRR e 90 dB CA CMRR a 50 kHz.

Figura 7: O CSA bidirecional INA253A1IPW, mostrado aqui em uma aplicação típica, tem um shunt interno de corrente e pode medir ±15 A de corrente contínua de -40 a +85 °C. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Os projetistas podem acelerar o desenvolvimento de projetos de sistemas baseados no INA253A1IPW usando os pontos de teste na placa de avaliação INA253EVM associada para acessar os pinos funcionais do CSA (Figura 8). A placa de duas camadas mede cerca de 6 × 10 cm e é fabricada com 28 g de cobre.

Figura 8: A INA253EVM de duas camadas mede cerca de 6 × 10 cm e é fabricada com 28 g de cobre. A camada inferior não tem componentes, mas contém um plano rígido de terra em cobre que fornece um caminho de baixa impedância para as correntes de retorno. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

O circuito de suporte mínimo está incluído na placa de circuito e as funções podem ser reconfiguradas, removidas ou contornadas conforme necessário. A INA253EVM oferece as seguintes características:

• Três dispositivos INA253A1IPW
• Fácil acesso a todos os pinos
• Layout e construção da placa que suporta ±15 A de corrente através dos CSAs INA253 em toda a faixa de temperatura de -40 a +85 °C
• Espaços reservados na placa de circuito para outras configurações diferentes da configuração padrão

A camada inferior não tem componentes, mas contém um plano rígido de terra em cobre que fornece um caminho de baixa impedância para as correntes de retorno.

CSA bidirecional com qualificação AEC-Q100

Para monitorar correntes em controles de motores de ponte completa, fontes de alimentação chaveadas, solenóides e pacote de baterias, bem como aplicações automotivas, os projetistas podem usar o LT1999IMS8-20#TRPBF da Analog Devices (Figura 9).

Figura 9: O LT1999IMS8-20#TRPBF é um CSA bidirecional em uma aplicação de monitoramento de corrente de ponte completa. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O LT1999IMS8-20#TRPBF tem qualificação AEC-Q100 para aplicações automotivas e inclui um modo de desligamento para minimizar o consumo de energia. O dispositivo usa um shunt externo para medir tanto o sentido quanto a quantidade de corrente que flui. Ele produz uma tensão de saída proporcional que é referenciada a meio caminho entre a tensão de alimentação e o terra. Os projetistas têm a opção de aplicar uma tensão externa para definir o nível de referência.

O LT1999IMS8-20#TRPBF entra num estado de desligamento de baixa energia que drena cerca de 3 μA quando o V_SHDN (pino 8) é acionado a menos de 0,5 volts do terra. Os pinos de entrada (+IN e -IN) puxarão aproximadamente 1 nanoampere (nA) se polarizados dentro da faixa de 0 a 80 volts (sem tensão diferencial aplicada). A susceptibilidade de EMI é reduzida por um filtro de supressão de EMI, passa-baixa diferencial de 1^a ordem, que ajuda a rejeitar sinais de alta frequência além da largura de banda do dispositivo.

Para experimentar a série LT1999, a Analog Devices fornece a placa de demonstração 1698A. A placa amplifica a queda de tensão através de um resistor detecção de corrente na placa e produz uma tensão de saída bidirecional que é proporcional à corrente através do resistor. Os projetistas podem selecionar entre três opções de ganho fixo; 10 V/V (DC1698A-A), 20 V/V (DC1698A-B) e 50 V/V (DC1698A-C).

CSA bidirecional com rejeição PWM

Para melhor rejeição de bordas PWN de entrada de modo comum em projetos que controlam cargas indutivas como solenóides e motores, os projetistas podem usar o MAX40056TAUA+ (Figura 10). Mencionado anteriormente no contexto da Figura 2, o MAX40056TAUA+ é um CSA bidirecional que pode lidar com taxas de inclinação de ±500 volts/µs e superiores. Tem um CMRR típico de 60 dB (50 volts, ±500 volts/µs de entrada) e 140 dB CC. Sua faixa de modo comum é de -0,1 volts a +65 volts e inclui proteção contra as tensões de retorno indutivo até -5 volts.

Figura 10: O MAX40056TAUA+ inclui uma referência interna de 1,5 volts, rejeição PWM aprimorada, e um comparador de janela interno integrado para detectar condições de sobrecorrente positiva e negativa (inferior esquerdo, acionado pela entrada CIP). (Fonte da imagem: Analog Devices)

Este MAX40056TAUA+ tem uma referência interna de 1,5 volts que pode ser usada para vários propósitos, inclusive:

• Acionamento de um conversor analógico digital diferencial
• Compensação da saída para mostrar o sentido da corrente detectada
• Fornecimento de corrente para cargas externas para mitigar as reduções de desempenho

Quando oscilações maiores de saída do fundo de escala são úteis, ou para tensões de alimentação acima de 3,3 volts, os projetistas podem substituir a referência interna por uma referência de tensão externa mais alta. Finalmente, os projetistas podem usar tanto a referência interna quanto externa para definir o limiar para disparar o comparador de sobrecorrente integrado, fornecendo um sinal imediato de uma falha de sobrecorrente.

O kit de avaliação MAX40056EVKIT# para o MAX40056TAUA+ fornece aos projetistas uma plataforma comprovada para o desenvolvimento de aplicações CSA bidirecionais de alta precisão e alta tensão, tais como acionamentos de solenóides e controles de servomotores.

Conclusão

É necessário um monitoramento de corrente rápido e preciso em uma variedade de aplicações, desde automotiva, automação de fábrica e robótica, até gerenciamento de energia de servidores, amplificadores de áudio de classe D e sistemas médicos. Em muitos casos, a detecção de corrente bidirecional é necessária.

Felizmente, os projetistas podem escolher entre uma variedade de CSAs bidirecionais integrados, e suas plataformas de desenvolvimento associadas, para implementar de forma rápida e eficiente o monitoramento de corrente bidirecional rápido e preciso.

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