Options d'amplificateurs de mesure de courant pour la régulation précise de la puissance

Beaucoup de concepteurs se concentrent tellement sur la partie amusante de la conception de PCB : sélectionner des processeurs et des mémoires, router des interfaces à haute vitesse, ajouter des capacités RF… la liste est longue. Mais une chose qui peut parfois être négligée, c'est votre stratégie de régulation de puissance. Les régulateurs de puissance ne sont stables que si leur tension d'entrée l'est. Si votre tension d'entrée présente de grandes fluctuations ou si vous vous attendez à ce qu'elle diminue pendant la durée de vie de l'appareil, vous devez trouver un moyen de stabiliser la sortie à la valeur souhaitée.

Pour les systèmes à basse tension, ou dans les systèmes où la chute de tension est relativement petite (peut-être 20 % de la sortie souhaitée), la stratégie serait de réguler la tension d'entrée à une valeur souhaitée, puis de réguler la sortie à l'aide d'un LDO. Une fois que vous introduisez un LDO, vous aurez un régulateur linéaire inefficace qui peut générer beaucoup de chaleur. Utiliser un LDO seul est seulement suffisant lorsque la marge est plutôt faible.

Il existe une meilleure option pour réguler la puissance dans un système où l'entrée peut varier sur une large gamme de valeurs. Cela implique un amplificateur de mesure de courant, qui peut ensuite être utilisé dans la boucle de rétroaction d'un régulateur à découpage. En utilisant un amplificateur de mesure de courant, vous pouvez réguler la puissance injectée dans la boucle de rétroaction du régulateur, ou utiliser la sortie pour contrôler un signal PWM avec un MCU. Voici quelques options d'amplificateurs de mesure de courant pour votre prochain régulateur de puissance.

Comment utiliser un amplificateur de mesure de courant

Le but d'un amplificateur de mesure de courant est plutôt simple : il produit une tension proportionnelle au courant à l'entrée de l'appareil. Le courant dans ces systèmes peut être mesuré à l'aide d'une résistance de précision externe ou interne. Ce sont essentiellement des circuits d'amplificateurs opérationnels qui prennent une mesure de tension comme entrée, et la sortie est amplifiée à l'aide d'une rétroaction. Si vous vous sentez aventureux, vous pourriez certainement construire votre propre amplificateur de mesure de courant à partir de composants discrets, bien qu'une variété d'amplificateurs de mesure de courant soit disponible auprès des principaux fabricants de CI. Ces CI offrent une gamme de tensions et de courants de sortie, et ils peuvent être facilement intégrés dans des circuits de régulateurs de puissance élevée.

Où doit se situer un amplificateur de mesure de courant dans la conception d'un régulateur de puissance ? La réponse est : dans la boucle de rétroaction. Comme exemple d'application, l'amplificateur peut être utilisé pour mesurer le courant sur la sortie d'un régulateur bon marché, et il réinjecte de la puissance dans le circuit du régulateur pour ajuster la sortie. Cela est montré dans le schéma de bloc ci-dessous.

Amplificateur de mesure de courant utilisé pour ajuster un signal PWM, qui est utilisé pour contrôler un régulateur à découpage.

Certains amplificateurs de mesure de courant sont programmables via une interface standard à haute vitesse. Plutôt que d'ajuster un signal PWM, le gain en sortie peut être programmé avec un autre dispositif, tel qu'un MCU. Ces dispositifs peuvent également être utilisés pour la régulation de puissance sans un régulateur standard IC, c'est-à-dire, avec un retour dans un MOSFET de puissance à commutation dans un circuit de régulation personnalisé.

Spécifications importantes des amplificateurs de mesure de courant

Voici quelques spécifications importantes à considérer lors de la sélection d'un amplificateur de mesure de courant et de son intégration dans un circuit de régulation de puissance.

• Tension d'entrée maximale nominale : Un amplificateur de mesure de courant mesure typiquement une tension à travers une résistance de précision, et non directement le courant. La limite de tension d'entrée doit être supérieure à la sortie de votre étage de régulateur.
• Entrée en mode commun vs. mode différentiel : Le mode commun est le type d'entrée le plus courant pour le courant continu et le courant alternatif de basse fréquence.
• Gain de sortie : Le gain de sortie est défini au niveau matériel et déterminera quel niveau de chute de tension vous pouvez compenser avec le système.
• Courant de polarisation d'entrée : L'entrée est normalement à haute impédance, donc elle devrait tirer un courant très faible. Les valeurs typiques sont au niveau des microampères.

Plusieurs autres spécifications sont importantes, mais ces spécifications sont le meilleur point de départ pour sélectionner un composant pour la régulation de puissance.

Options d'amplificateurs de mesure de courant

Texas Instruments, INA223

L'amplificateur de mesure de courant à gain programmable INA223 de Texas Instruments fonctionne jusqu'à 26 V en entrée et inclut une interface programmable via SPI. Ce dispositif utilise une entrée de 3.3 V avec une résistance de détection externe pour la détection de courant côté haut. Notez que la résistance côté haut doit être choisie de manière à ce que la tension d'entrée dépasse la tension de décalage maximale de 10-20 mV (selon le gain de sortie). Un circuit d'application typique est montré ci-dessous.

Exemple de schéma d'application tiré de la fiche technique INA223.

Analog Devices, LTC6102

L'amplificateur de mesure de courant LTC6102 d'Analog Devices est un composant plus ancien acquis auprès de Linear, mais il est toujours en production et constitue un excellent choix pour les régulateurs de tension plus élevés. La variante standard permet une entrée allant de 4 à 60 V, et la variante haute tension (LTC6102HV) fonctionne de 5 à 100 V. Ce composant a une large bande passante allant du courant continu jusqu'à ~200 kHz, et il présente une tension de sortie très stable par rapport à la température.

Variation du courant de sortie et de la tension avec les changements de température pour les variantes d'amplificateurs de mesure de courant LTC6102 et LTC6102HV. Extrait de la fiche technique du LTC6102.

Maxim Integrated, MAX4172

Le MAX4172 de Maxim Integrated est idéal pour être inclus dans une boucle de rétroaction de régulateur. Ce composant fournit une surveillance de courant côté haut avec une tension d'entrée allant jusqu'à 32 V. Le courant à pleine échelle et le facteur de mise à l'échelle (tension de sortie/courant de détection) peuvent être ajustés en sélectionnant la résistance de détection côté haut appropriée sur la sortie du régulateur. L'erreur de sortie avec ce composant est d'environ 2 % à température ambiante et ne dépasse pas +/-6 % à des températures de fonctionnement extrêmes.

Schéma fonctionnel extrait de la fiche technique du MAX4172.

Il existe une large gamme de circuits intégrés régulateurs de mesure de courant pour une utilisation dans différentes plages de courant et de tension. Lorsque vous recherchez les composants dont vous avez besoin pour la régulation de puissance, Octopart sera là pour vous aider à trouver les composants nécessaires.

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