Svelando il futuro dell’elettronica: i vantaggi rivoluzionari dei sensori di corrente integrati

Quattro motivi per cui i sensori di corrente integrati sono la soluzione ideale quando un’accurata capacità di controllo, l’efficienza e la protezione sono fattori essenziali

 

La misura dell’intensità di corrente (current sensing) è una funzione cruciale in un’ampia gamma di dispositivi elettronici, tra cui alimentatori, sistemi di gestione delle batterie, azionamenti per motori elettrici e reti di energia rinnovabile. Affinché tali sistemi possano essere protetti e funzionino in modo efficiente, è essenziale disporre di una misura precisa e affidabile della corrente che scorre.

Tuttavia, la misura della corrente pone il progettista di fronte a delle sfide importanti, poiché la densità di potenza dei dispositivi aumenta e l’obiettivo è sempre quello di fare di più con meno, anche riducendo al minimo gli ingombri dei circuiti. Nelle applicazioni caratterizzate da vincoli di spazio e alta densità di potenza, i sensori di corrente integrati, o ICS (Integrated Current Sensor), svolgono un ruolo fondamentale.

Ideali in un’ampia gamma di applicazioni automobilistiche, industriali o residenziali, gli ICS sono dei sensori di corrente basati sull’effetto Hall che integrano in un unico package il conduttore di corrente, l’elemento sensibile di misura, il die per il trattamento del segnale e alcune funzioni dedicate, come il rilevamento dei guasti e l’isolamento.

Il rilevamento della corrente basato sull’effetto Hall è un modo per ottenere una misura senza contatto del campo magnetico indotto dalla corrente. La cella di Hall è l’elemento di rilevamento che converte una variazione del campo magnetico in una variazione della sua resistenza; quando una corrente costante attraversa la cella di Hall, essa fornisce una variazione di tensione in uscita proporzionale al campo magnetico.

In qualità di azienda leader nel settore delle misure elettriche da 50 anni, LEM sviluppa continuamente nuove tecnologie per soddisfare le mutevoli esigenze dei clienti nei settori in cui opera; per questo motivo l’azienda ha scelto di investire in proprio nella progettazione di sensori di corrente integrati ed è ora in grado di sviluppare una gamma completa di dispositivi ICS.

Quattro sono i vantaggi principali che illustrano perché LEM ritiene che i sensori di corrente integrati rappresentino un buon investimento.

 

Design senza nucleo

I sensori di corrente a effetto Hall tradizionali utilizzano un nucleo di ferrite attorno al conduttore di corrente e agli elementi di rilevamento per concentrare il campo magnetico. Questo nucleo protegge anche dai campi magnetici esterni indesiderati e dai disturbi. La tecnica di misura differenziale consente di eliminare il nucleo di ferrite, utilizzando due elementi di rilevamento (le celle di Hall) che sono soggetti entrambi al campo magnetico da misurare, uno con un fattore positivo e l’altro negativo. La differenza dei due campi consente di annullare eventuali campi magnetici aggiuntivi indesiderati.

I sensori di corrente integrati sfruttano la misura differenziale per evitare di utilizzare un nucleo di ferrite. L’eliminazione del nucleo offre diversi vantaggi nelle applicazioni elettroniche embedded. Ad esempio, il costo del dispositivo si riduce, la densità di potenza sul lato di rilevamento viene aumentata meccanicamente (fino a 75 A in applicazioni a 800 V per i sensori integrati di LEM) e la misura non è influenzata dall’isteresi magnetica (quando un campo magnetico esterno viene applicato a un ferromagnete e i dipoli atomici si allineano con esso). Infine, la frequenza e la larghezza di banda non sono limitate dalla saturazione intrinseca dell’elemento magnetico del nucleo.

Isolamento integrato

Alcuni sistemi richiedono un isolamento specifico per proteggere l’utente finale, il che significa che l’interfaccia utente deve essere fisicamente separata dalla rete ad alta tensione e non può condividere lo stesso livello di tensione di riferimento. Un sensore di corrente integrato offre anche la funzione di isolamento all’interno (isolamento galvanico) e all’esterno (distanza in aria e superficiale) del dispositivo, il che significa che non vi è alcun collegamento fisico tra il conduttore primario, dove scorre la corrente ad alta tensione, e il circuito secondario con il chip del circuito integrato dedicato (ASIC) e i pin secondari. Questi due lati comunicano solo attraverso il campo magnetico prodotto dalla corrente che scorre.

Il circuito integrato ASIC del sensore ICS è prodotto con il processo di fabbricazione dei semiconduttori CMOS, che consente di integrare funzionalità specifiche nel componente senza aggiungere hardware. Ad esempio, tutti gli elementi analogici e digitali necessari per rilevare, amplificare ed elaborare il segnale di tensione proporzionale sono realizzati su un singolo die con materiali semiconduttori, il che garantisce anche un consumo e una dissipazione di potenza ridotti.

Anche la funzione rilevamento della sovracorrente (OCD, Over-Current Detection) è un fattore importante. Grazie al circuito OCD interno, quando la corrente supera una soglia si attiva internamente un segnale di uscita inviato a un pin di guasto dedicato. Ciò consente al microcontrollore dell’applicazione finale di ricevere le informazioni di allarme con un ritardo minimo. Altrimenti, l’azione dovrebbe essere eseguita internamente e basata sul livello di corrente inviato dal sensore, il che richiederebbe molto più tempo.

Compensazione e funzioni integrate aggiuntive

Per quanto riguarda la compensazione delle sollecitazioni e della temperatura, se il die del circuito integrato ASIC è soggetto a sollecitazioni meccaniche da parte del package, ciò può creare una deriva della sensibilità (lo stesso può accadere con variazioni di temperatura da -40°C a +125°C). I sensori interni nel die dell’ASIC compensano questa deriva per garantire una sensibilità accurata e lineare e precisa in un’ampia gamma di condizioni operative. In un progetto basato su componenti discreti, la temperatura dello shunt varia ampiamente con le perdite resistive, richiedendo un’ulteriore attività di progettazione con il microcontrollore per compensarla accuratamente. Al contrario, una soluzione basta su un sensore di corrente integrato è intrinsecamente plug-and-play.

Tradizionalmente, la tensione di uscita è sempre proporzionale alla corrente misurata, ma esistono due possibili tensioni di riferimento. In modalità raziometrica, la tensione di uscita Vout è espressa come percentuale della tensione di alimentazione Vcc e richiede un’alimentazione stabile. In modalità fissa (non raziometrica), la tensione di uscita Vout viene confrontata con una tensione di riferimento esterna Vref. Il segnale proporzionale è quindi Vout meno Vref, ma quando la corrente da misurare è 0 A, Vout = Vref – in altre parole, la tensione di riferimento imposta la tensione di uscita a riposo (modalità a corrente zero).

LEM ha sviluppato due famiglie di sensori di corrente integrati: la serie HMSR e la serie GO. Gli ICS LEM HMSR e GO-SMS sono dotati di protezioni da sovracorrente interne ed esterne per garantire la massima protezione del sistema e sono disponibili anche con uscite raziometriche e a tensione fissa su richiesta, a seconda delle caratteristiche dell’applicazione a cui sono destinati. Mentre i sensori della serie LEM HMSR offrono un’immunità supplementare grazie al loro nucleo integrato, quelli della serie LEM GO sfruttano appieno le misure differenziali per offrire tutte le prestazioni di un sensore di corrente a effetto Hall in un circuito integrato compatto, a montaggio superficiale e di altezza ridotta SOIC8 o SOIC16. Ad esempio, il sensore LEM GO-SMS può garantire un isolamento di base fino a 2088 V e un isolamento rinforzato di 1041 V (tensione di lavoro DC o di picco) in conformità alla norma IEC 62368-1.

 

Progettazione plug-and-play

In sintesi, i sensori di corrente integrati consentono ai progettisti di realizzare la funzione di misura della corrente con un approccio plug-and-play e di risolvere praticamente tutte le sfide con un unico componente. La completa integrazione meccanica e le bassissime perdite di potenza rendono l’ingombro di un sensore ICS il più piccolo possibile, con zero problemi termici.

Il principio di misura senza contatto con isolamento galvanico e le distanze in aria (clearance) e superficiali (creepage) standard rendono gli ICS adatti alle applicazioni ad alta tensione e in grado di supportare una strategia di progettazione con isolamento rinforzato. I package più piccoli, con isolamento inferiore e con caratteristiche ridotte e parti non popolate di componenti, possono ridurre il costo fino a renderlo competitivo nei casi in cui l’isolamento non è necessario (< 60 Vdc). Questa flessibilità nella definizione del prodotto consente ai sensori di corrente integrati di LEM di essere adatti a varie tipologie prodotti, sia in applicazioni ottimizzate dal punto di vista dei costi che in progetti di fascia alta ad elevato livello di isolamento.

Le prestazioni dei sensori di corrente integrati non sono mai compromesse, perché tutto il trattamento del segnale avviene nel package con elementi a semiconduttori. Ciò consente l’integrazione di meccanismi di protezione del sistema specifici e ad hoc, come il rilevamento rapido delle sovracorrenti. A seconda dell’architettura del sistema e delle scelte progettuali, l’uscita di tensione proporzionale alla corrente può essere riferita alla tensione di alimentazione Vcc o a una tensione Vref esterna.

È chiaro, quindi, che i sensori di corrente integrati sono ideali in un’ampia gamma di applicazioni che richiedono un’accurata capacità di controllo, efficienza e protezione. In particolare, i più recenti sensori ICS di LEM sono particolarmente adatti alle applicazioni in cui lo spazio è limitato e la densità di potenza richiesta è elevata.

In prospettiva, LEM ha una tabella di marcia ambiziosa per sviluppare un numero ancora maggiore di sensori di corrente integrati in grado di soddisfare le esigenze specifiche dei suoi clienti. La prossima tappa di questa roadmap sarà il lancio del modello HMSR DA, il primo sensore di corrente integrato con uscita digitale con codifica sigma delta del flusso di bit.