Utilice amplificadores optimizados para una detección fiable y precisa de la corriente en automoción

A medida que los sistemas electrónicos penetran en las aplicaciones de automoción, la medición continua en tiempo real del flujo de corriente es fundamental para controlar las condiciones inminentes de sobrecorriente, señalar los fallos y averías del circuito y del sistema, y proporcionar una señal continua de retroalimentación para optimizar el rendimiento del bucle de control.

Aunque existen varias técnicas y componentes para medir el flujo de corriente, el método conceptualmente sencillo de medir la caída de tensión a través de una resistencia de derivación (detección) es uno de los más utilizados. Ofrece exactitud, precisión, repetibilidad, comodidad, tamaño reducido, flexibilidad y adaptabilidad.

Esta resistencia de detección puede colocarse entre el riel de alimentación y la carga (detección del lado alto) o entre la carga y tierra (detección del lado bajo). Cada disposición ofrece compensaciones en cuanto a rendimiento, impacto en el flujo de corriente detectado y exigencias en el amplificador de tensión colocado a través de la resistencia, entre otros factores. El amplificador de detección de corriente (CSA) asociado debe tener atributos críticos específicos de la aplicación para funcionar de forma óptima en este papel, sobre todo teniendo en cuenta el desafiante entorno operativo de la automoción.

Este artículo examina la detección de corriente en los lados alto y bajo y los problemas a los que se enfrentan los diseñadores con cada uno de ellos. A continuación, presenta una familia de CSA de onsemi y explica cómo puede utilizarse para resolver muchos de estos problemas.

Las dos configuraciones del sensor-resistor

La detección de la tensión a través de una resistencia fija de valor conocido colocada en línea con la carga permite determinar la corriente por aplicación directa de la ley de Ohm: corriente = tensión/resistencia (I = V/R). Aunque la colocación de la resistencia de detección en el lado bajo (figura 1, izquierda) frente al lado alto (figura 1, derecha) no afecta directamente a la integridad de la lectura, sí tiene muchas implicaciones a nivel del sistema.

Figura 1: Se muestran la detección de corriente basada en resistencias en el lado bajo (izquierda) con la resistencia colocada entre la carga y tierra, y la detección en el lado alto con la resistencia entre el carril de la fuente y la carga (derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)

Aunque esta resistencia de detección se denomina resistencia de derivación, se trata de un término erróneo. Se coloca una verdadera resistencia en derivación en paralelo con la carga, de modo que parte de la corriente se desvía alrededor de la carga y a través de la resistencia. Sin embargo, la resistencia de detección de corriente de uso estándar se coloca realmente en serie con la carga y no la desvía. No obstante, el término "resistencia en derivación" se utiliza universalmente.

La detección del lado bajo es conceptualmente el enfoque más directo, con un extremo de la resistencia conectado a tierra y el otro al lado bajo de la carga. Ofrece algunas ventajas claras:

• La tensión a través de la resistencia está referenciada a tierra.
• La tensión a través de la resistencia en ambos terminales del amplificador (tensión en modo común) es baja.
• Es relativamente fácil de diseñar en un circuito de alimentación única.

Sin embargo, existen complicaciones inevitables con la detección en el lado bajo:

• La carga deja de estar conectada a tierra, lo que puede tener importantes implicaciones a nivel del sistema y afectar al rendimiento de cualquier lazo de control que utilice el valor de corriente detectado.
• Un cortocircuito accidental entre la carga y tierra puede activar la carga.
• La disposición de los sensores puede provocar bucles de masa.
• No se detectará una corriente de carga elevada debido a un cortocircuito.

La detección del lado alto coloca la resistencia entre la fuente de corriente y tierra, ofreciendo las siguientes ventajas:

• La carga está conectada a tierra, lo que supone una gran ventaja y a menudo un requisito de seguridad.
• El cuerpo de la carga, como un motor, puede conectarse física y eléctricamente a un chasis del sistema como masa común.
• Evite añadir resistencia a la trayectoria de tierra de la carga medida.
• La carga no recibe corriente aunque se produzca un cortocircuito en la conexión de alimentación.
• Puede detectar un cortocircuito de la línea de alimentación positiva a tierra.

Sin embargo, la detección en el lado alto tiene sus inconvenientes:

• El CSA debe tolerar un alto CMV de entrada y transitorios rápidos de modo común; sobrepasar sus límites puede degradar el rendimiento y dañar potencialmente el amplificador.
• La tensión detectada a través de la resistencia debe nivelarse a la tensión de funcionamiento del sistema para su medición y uso.
• En general, implementar la configuración de circuito necesaria es más complicado.

Como de costumbre, la decisión sobre cuál es mejor implica evaluar las ventajas y desventajas desde el punto de vista de la ingeniería. Sin embargo, hay muchas situaciones en las que la detección en el lado alto es la única opción viable.

Por ejemplo, considere el automóvil y sus numerosas cargas eléctricas, como los motores. Un coche moderno típico tiene al menos 30 motores para funciones accesorias como los mandos automáticos de las ventanillas y de la posición de los asientos. Muchos de ellos están montados físicamente en el bastidor, los soportes o el chasis del coche, que también funcionan como toma de tierra eléctrica.

Aunque es posible aislar eléctricamente estas cargas de los elementos estructurales del vehículo, hacerlo es difícil en la práctica. Requiere otra pieza en la lista de materiales (BOM), otro paso de fabricación, y el aislamiento puede desgastarse con el tiempo o quedar inadvertidamente fuera cuando se sustituye una pieza. Además, un mecánico puede conectar brevemente el cuerpo del motor al chasis y cortocircuitar ese circuito.

Las mismas consideraciones se aplican a las cargas no motorizadas, como las funciones de los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), los subsistemas de seguridad y colisión, las alarmas y la consola de entretenimiento y conectividad. Además, con una carga sin conexión a tierra, el mazo de cables de retorno de la carga a la batería es más complicado y propenso a fallos o errores humanos.

Una solución de amplificación optimizada

Para situaciones en las que la detección del lado alto es obligatoria o preferible, un amplificador específico para la aplicación es la solución. Un ejemplo es el NCV7030DM2G014R2G (figura 2) con calificación AEC-Q100 para automoción de la familia NCV7030 de onsemi.

Figura 2: El CSA NCV7030DM2G014R2G está diseñado para la detección de corriente de lado alto en entornos de automoción. (Fuente de la imagen: onsemi)

El dispositivo se presenta en un paquete sin plomo Micro8 (3 mm × 3 mm) o SOIC-8 (4 mm × 5 mm)(NCV7030D2G014R2G) y funciona con una tensión de 3 V a 5.5 V y tiene una corriente de reposo típica de 1.5 mA.

La familia NCV7030 ofrece una elevada relación de rechazo en modo común (CMRR) de entrada de 85 dB (mínimo) y un rango de tensión de entrada en modo común de -6 V a 80 V (funcionamiento) y de -14 V a 85 V (supervivencia). Puede realizar mediciones de corriente unidireccionales a través de una resistencia de detección y proporcionar una ganancia fija de 14 V/V con un error de ganancia máximo de ±0.3% en todo su rango de temperatura, una especificación importante en el duro entorno de la automoción.

Los amplificadores NCV7030 ofrecen algo más que un alto rechazo en modo común. Cada uno consta de un preamplificador y un búfer, con acceso a la salida y la entrada, respectivamente, a través de los pines "puente" A1 y A2 para implementar una red de filtrado intermedia o modificar la ganancia.

Además, un buen CSA es mucho más que mantener el rendimiento a pesar de una CMV elevada. Los dispositivos NCV7030 presentan una elevada relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) de 75 dB (mínimo), lo que garantiza un funcionamiento fiable incluso en entornos ruidosos. Su baja tensión de compensación de entrada de ±300 µV (máximo), junto con una deriva de temperatura mínima, crean una buena opción para aplicaciones de precisión. Además, un ancho de banda de 100 kHz las hace sensibles a los cambios rápidos de corriente.

Debido a la baja tensión de compensación de entrada, la salida de los CSA NCV7030 estará dentro de los 50 mV de tierra cuando no fluya corriente a través de la resistencia de derivación. Cuando fluye corriente, la salida oscilará en positivo, hasta un máximo de 100 mV de la tensión de alimentación aplicada. Este amplio rango mejora la relación señal-ruido (SNR) de la tensión detectada.

Existe una restricción operativa menor. Los amplificadores NCV7030 están referenciados internamente a tierra, por lo que sólo pueden medir la corriente que fluye en una dirección. No se trata de una limitación grave, ya que las pilas y la mayoría de los diseños de alimentación bipolar sólo tienen flujo de corriente unidireccional.

Para simplificar el diseño, los dispositivos pueden conectarse a la misma fuente de alimentación que la que supervisan. Si es necesario detectar una corriente de cortocircuito en la fuente de alimentación de carga, un evento que puede provocar que la fuente de alimentación de carga caiga hasta cerca de 0 V, deberá utilizarse una fuente de alimentación independiente.

Los dispositivos NCV7030 "tal cual" proporcionan una amplificación de ganancia fija sin componentes adicionales, pero algunas aplicaciones pueden requerir una ganancia mayor o menor. La arquitectura de estos amplificadores se adapta a este requisito a través de los pines A1 y A2.

Para una ganancia menor, conectando A1 a A2 y añadiendo una resistencia (R_EXT) desde esta red a tierra se forma una red divisora de resistencias con la resistencia interna de 100 kΩ (kilohmios) (figura 3).

Figura 3: La adición de una única resistencia externa (R_EXT) forma una red resistor-divisor con la resistencia interna de 100 kΩ para reducir la ganancia de los amplificadores NCV7030. (Fuente de la imagen: onsemi)

A la inversa, la ganancia puede aumentarse añadiendo una resistencia externa en una configuración de realimentación positiva (figura 4). En ambos casos de ganancia, unas sencillas fórmulas algebraicas relacionan el valor de la resistencia externa con los valores deseados de ganancia reducida o aumentada.

Figura 4: La colocación de la resistencia externa en el bucle de realimentación de un amplificador NCV7030 aumenta la ganancia. (Fuente de la imagen: onsemi)

¿Y el filtrado?

Muchas aplicaciones de detección de corriente, como la automoción y las instalaciones industriales, son intrínsecamente ruidosas. El ruido puede degradar la integridad de la señal de corriente detectada y la tensión de salida del amplificador asociado. La baja tensión a través de la resistencia de detección se suma a los problemas relacionados con el ruido.

¿Por qué es baja esta tensión? El dimensionamiento de la resistencia de detección implica compromisos. Por un lado, una resistencia de mayor valor proporciona una mayor caída de tensión y, por tanto, una mayor magnitud de señal, lo que mejora la SNR y la resolución. Por otro lado, esta resistencia de mayor valor desperdicia más energía, genera más calor y tiene un mayor efecto adverso en el bucle de carga.

En muchas aplicaciones, la regla general es dimensionar la resistencia para una caída de unos 100 mV como compromiso. Ese valor significa que la resistencia suele ser de solo 1 miliohmio (mΩ) o menos, por lo que las conexiones a la misma pasan a formar parte de los cálculos de caída de tensión y tensión detectada.

La entrada diferencial real de los dispositivos NCV7030 es muy adecuada tanto para las derivaciones de conexión Kelvin de cuatro hilos que reducen el ruido como para las derivaciones convencionales de dos hilos. Además, la verdadera entrada diferencial rechaza el ruido de modo común, que suele estar presente incluso en la detección de corriente de lado bajo.

Algunas aplicaciones pueden requerir un filtrado en la entrada CSA. Esto se consigue fácilmente añadiendo dos resistencias (R_FILT) y un capacitor (C_FILT) entre la resistencia de derivación y las entradas del amplificador (figura 5).

Figura 5: Para el filtrado de entrada, sólo se necesitan dos resistencias adaptadas (R_FILT) y un condensador (C_FILT) en la entrada del CSA. (Fuente de la imagen: onsemi)

Tenga en cuenta que este filtrado de entrada se complica por la resistencia añadida de las resistencias de filtrado y el desajuste de resistencia asociado entre ellas, que puede afectar negativamente a la ganancia, la CMRR y la tensión de compensación de entrada. La hoja de datos explica cómo seleccionar estos valores y sus efectos.

Incluso cuando el filtrado de entrada no es necesario, puede ser necesario filtrar la salida del amplificador. Este filtrado se implementa fácilmente gracias a la arquitectura interna "dividida" de los amplificadores NCV7030. Se puede crear un filtro de paso bajo conectando A1 y A2 y añadiendo un capacitor de la configuración a tierra (figura 6, izquierda). Esto crea un sencillo filtro unipolar de resistencia-capacitor (RC) utilizando la resistencia interna de 100 kΩ, que ofrece una atenuación de 20 dB por década (dB/década). Si se necesita una atenuación mayor, se puede crear un filtro Sallen-Key bipolar con una atenuación de 40 dB/década añadiendo dos capacitores externos y una sola resistencia (figura 6, derecha).

Figura 6: Un solo capacitor colocado entre A1/A2 y tierra produce un filtro unipolar (izquierda) con una atenuación de 20 dB/década; una resistencia y un capacitor adicionales crean un filtro bipolar con una atenuación de 40 dB/década (derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)

Conclusión

La detección de corriente en el lado alto, en la que se inserta una resistencia de bajo valor entre la fuente y la carga, es una técnica estándar para determinar el parámetro crítico de la corriente de carga en muchas aplicaciones, como los circuitos de automoción. Aunque se trata de un enfoque eficaz, también plantea retos en cuanto al rendimiento del CSA asociado. Como se muestra, la familia de amplificadores NCV7030 de onsemi está optimizada para esta aplicación específica, con una alta tolerancia CMV y un diseño de dos etapas que ofrece una ganancia fija y ajustable por el usuario, junto con la provisión de filtrado tanto a la entrada como a la salida.