Di: Jerry Steele
Tecnologia dei microchip
Compromessi nell’utilizzo di tracce di rame come shunt di corrente
Quando vengono incaricati di soddisfare un requisito di rilevamento della corrente, i progettisti in genere guardano prima all’utilizzo di resistori dedicati progettati per questo compito. Di tanto in tanto, però, c’è la tentazione di prendere in considerazione il rilevamento della corrente in una traccia di un circuito stampato.
I resistori di rilevamento della corrente, comunemente chiamati “shunt di corrente”, sono necessari per rilevare con precisione la corrente in un carico. Questi resistori di shunt di corrente sono posti in serie con il carico e sviluppano una tensione proporzionale alla corrente che scorre attraverso lo stesso shunt. Nelle applicazioni ad elevata corrente, questi resistori possono diventare di grandi dimensioni e dissipare una notevole potenza sotto forma di calore. Queste condizioni suggeriscono che l’utilizzo di una traccia di rame esistente su un PCB (circuito stampato) potrebbe rappresentare una soluzione. Tra i problemi derivanti dall’utilizzo di uno shunt a tracce di rame c’è il coefficiente di temperatura della resistenza di 0,39%/°C, il che si traduce in una bassa precisione al variare della temperatura.
Ci sono difficoltà nell’utilizzare la traccia di rame come shunt, in particolare che la resistenza del rame è molto bassa, il che significa che la tensione del segnale sarà così piccola da richiedere una sua amplificazione relativamente impegnativa, o che la lunghezza di questo resistore potrebbe aggiungere costi a causa dell’area richiesta dalla scheda PC. L’utilizzo dell’area è influenzato anche dalle tolleranze delle richieste di resistenza. Mentre un modello di resistore stretto riduce la lunghezza e quindi anche l’area, le tolleranze di incisione dei PCB di solito impongono una larghezza minima da 0,015 a 0,025 pollici. Un’altra difficoltà è il coefficiente di temperatura del rame, 0,39%/°C, il che significa che la caduta di tensione per una data corrente aumenterà del 20% per un aumento della temperatura di 50°C. Si noti inoltre che le tolleranze dimensionali influenzano direttamente il valore del resistore. Il controllo dei bordi nel processo di incisione del PC di solito definisce la larghezza minima accettabile.
Un metodo per il rilevamento accurato della corrente attraverso le tracce di rame
Un metodo per risolvere il problema del coefficiente di temperatura che verrà qui di seguito discusso prende spunto dalle tecniche dei progettisti di circuiti su chip e sfrutta la proporzionalità geometrica per stabilire il guadagno del circuito, piuttosto che utilizzare valori assoluti. Anche questo metodo non è privo di difficoltà poiché le cadute di tensione saranno estremamente basse, spesso inferiori a 10 mV. Fortunatamente, i moderni amplificatori operazionali zero-drift (auto-zero o chopper) forniscono una soluzione pronta al problema della bassa caduta. Come si vedrà, rimangono alcune limitazioni nel raggiungimento della precisione iniziale, anche se una volta calibrato il metodo può essere molto accurato.
L’idea qui è quella di creare due resistori con una relazione geometrica che definirà il nostro guadagno. Ad esempio, si considera un percorso ad alta corrente (identificato come R SHUNT ) con le seguenti dimensioni (normalizzate): Lunghezza (L)=1, Larghezza(L)=10. Per l’elemento di impostazione del guadagno (che si chiamerà RG) creare un altro modello con L=10 e W=1. Questo dà un rapporto dimensionale, e quindi una resistenza, di 100:1. Poiché il resistore di guadagno ha lo scopo di compensare la temperatura del percorso R SHUNT ad elevata corrente, deve essere posizionato simmetricamente e in prossimità dell’elemento R SHUNT . La Figura 2 mostra uno schema concettuale di questo rapporto che abbina un resistore di guadagno della traccia PC in rame a uno shunt della traccia PC in rame per ridurre al minimo gli errori iniziali e gli errori di temperatura. La disposizione delle resistenze sfrutta i rapporti e l’interdigitazione.
Un circuito di base che è stato utilizzato nei test iniziali dell’esempio concettuale è illustrato dallo schema semplificato della Fig. 1. L’amplificatore operazionale pilota un MOSFET che fornisce la corrente di retroazione richiesta attraverso il resistore di guadagno; nonché un’uscita di tensione proporzionale alla corrente misurata. Si tratta di un circuito di base progettato per il “low-side sensing” in cui un terminale dello shunt di corrente è collegato a terra e l’uscita dell’amplificatore è riferita a terra. Si noti che questo circuito richiede un amplificatore operazionale con un offset di ingresso estremamente basso, come quello fornito dagli amplificatori zero-drift (la serie MCP6V76 di Microchip è un amplificatore zero-drift con un offset di ingresso massimo di 25 μV).
Si noti che nello schema semplificato la corrente passante per R3 e RG è sempre una funzione della corrente di ingresso e del rapporto tra i resistori R SHUNT e RG . I valori effettivi di R SHUNT e RG devono solo avere un valore totale tale da far rientrare il flusso di corrente nel limite richiesto della corrente nel MOSFET T1. Il rapporto tra R SHUNT e RG può essere determinato da:
Questa corrente imposta un rapporto in cui la corrente di uscita è una frazione della corrente di ingresso proporzionale al rapporto geometrico. La tensione superiore di R3 viene utilizzata come uscita e può essere variata per regolare il guadagno su qualsiasi valore desiderato. Un esempio di layout di un circuito stampato che raffigura R SHUNT e RG è mostrato nel circuito di rilevamento low-side della corrente nella Figura 2 e nella Figura 3.
Fig. 1. Circuito di base per il rilevamento low-side della corrente con shunt su traccia PCB in rame compensato in temperatura.
Fig. 2. Schema che riproduce shunt e tracce del resistore di guadagno
Fig. 3. Primo piano della scheda di prova con appoggiato un quarto per mostrare le dimensioni effettive. La traccia da TP6 a TP7 è lo shunt R SHUNT e la traccia da TP6 a TP8 è il resistore di guadagno in rame RG . La parte coperta dalla moneta è una duplicazione inutilizzata del circuito.
Misure delle prestazioni
Il circuito della Fig. 1 è stato implementato per il rilevamento low-side per dimostrare in modo semplice la compensazione della traccia di rame. Non è stato fatto alcuno sforzo per ottenere una precisione assoluta ei valori sono stati normalizzati per le misure nella tabella. In una breadboard che utilizza l’amplificatore operativo Microchip MCP6V76 sono stati registrati i seguenti valori in un test per la deriva della temperatura da 25°C a 125°C. Gli errori erano piatti a oltre 100°C e gran parte dell’errore a 125°C può essere attribuito alla deriva in altri componenti come il resistore di guadagno convenzionale e l’amplificatore:
Implementazione del rilevamento di corrente High-Side
Una versione di rilevamento high-side può essere costruita sulla base del ben noto circuito “Current Drive Current Sensing” mostrato in Figura 4.
Figura 4. Circuito di rilevamento della corrente di azionamento.
Il circuito Current Drive, è facilmente adattabile al metodo di compensazione delle tracce in cui RC U SHUNT e RC U GAIN1 sono le tracce della scheda PC. RG è un resistore convenzionale da impostare sul livello di guadagno complessivo desiderato. Z1 è un regolatore di tensione Zener rail-to-rail per l’amplificatore operativo. D1 fornisce protezione in ingresso nel caso in cui il carico fosse in cortocircuito.
Ulteriori dettagli su questo circuito sono disponibili nel riferimento 1.
Consideriamo il rilevamento della corrente con shunt dedicato
Quando si implementa il rilevamento della corrente su tracce di schede PC, si scopre presto perché gli esseri umani hanno inventato i resistori. Invariabilmente, lo spazio sulla scheda PC necessario per implementare un rilevamento accurato delle tracce del PC richiederà un’area della scheda significativamente maggiore rispetto a uno shunt. Teniamo presente che i migliori valori offset dell’amplificatore sono dell’ordine di 5-10 μV e una discreta precisione inizia a fondo scala, la tensione scende di un ordine di grandezza superiore a quello. Nel momento in cui si tiene conto di tutte le considerazioni, si scoprirà che la soluzione fisicamente più piccola favorirà il resistore di shunt dedicato. Nella Figura 5 è mostrato un esempio che illustra la semplicità dell’utilizzo di resistori shunt dedicati e amplificatori di rilevamento della corrente. Lo shunt fornisce una resistenza di precisione insieme a un basso coefficiente di temperatura. I moderni amplificatori zero-drift e low offset di rilevamento della corrente consentono cadute di tensione di shunt inferiori, migliorando l’efficienza e spesso consentendo shunt fisicamente più piccoli grazie alla minore dissipazione di potenza dello shunt. I circuiti unidirezionali e bidirezionali diventano relativamente esenti da preoccupazioni.
Figura 5. Circuito di amplificazione dedicato al rilevamento di corrente utilizzante l’amplificatore di rilevamento di corrente Microchip MCP6C02-100.
Jerry Steele ha più di 30 anni di esperienza nell’elettronica analogica e di potenza, essendo collaboratore con Apex, National Semiconductor, TI e ON Semiconductor. I ruoli ricoperti hanno spaziato da Ingegnere Applicativo a Ingegnere dello Sviluppo Strategico e attualmente come Ingegnere di Validazione per Microchip.
Bibliografia e Riferimenti
1. https://www.planetanalog.com/the-current-drive-current-sense-circuit/
