Opzioni di amplificatori per la misurazione della corrente per la regolazione precisa della potenza

Molti progettisti si concentrano tanto sulla parte divertente della progettazione di PCB: selezionare processori e memorie, instradare interfacce ad alta velocità, aggiungere capacità RF… la lista continua. Ma una cosa che a volte può essere trascurata è la strategia di regolazione dell'alimentazione. I regolatori di potenza sono stabili solo quanto lo è la loro tensione di ingresso. Se la tua tensione di ingresso ha grandi fluttuazioni o ti aspetti che diminuisca durante la vita del dispositivo, devi trovare un modo per stabilizzare l'uscita al valore desiderato.

Per i sistemi a bassa tensione, o nei sistemi in cui la caduta di tensione è relativamente piccola (forse il 20% dell'uscita desiderata) la strategia sarebbe quella di regolare la tensione di ingresso a un certo valore desiderato, e poi regolare l'uscita utilizzando un LDO. Una volta introdotto un LDO, avrai un regolatore lineare inefficiente che può generare molto calore. Usare un LDO da solo è sufficiente solo quando il margine è piuttosto basso.

C'è un'opzione migliore per regolare l'alimentazione in un sistema in cui l'ingresso può variare su un ampio intervallo di valori. Questo coinvolge un amplificatore di rilevamento della corrente, che può poi essere utilizzato nel loop di feedback di un regolatore a commutazione. Utilizzando un amplificatore di rilevamento della corrente, puoi regolare l'alimentazione iniettata nel loop di feedback del regolatore, o utilizzare l'uscita per controllare un segnale PWM con un MCU. Ecco alcune opzioni di amplificatori di rilevamento della corrente per il tuo prossimo regolatore di potenza.

Come Utilizzare un Amplificatore di Rilevamento della Corrente

Lo scopo di un amplificatore di rilevamento della corrente è piuttosto semplice: esso fornisce in uscita una tensione proporzionale alla corrente sull'ingresso del dispositivo. La corrente in questi sistemi può essere misurata utilizzando una resistenza di precisione esterna o interna. Questi sono fondamentalmente circuiti op-amp che prendono una misurazione di tensione come ingresso, e l'uscita viene amplificata utilizzando il feedback. Se ti senti avventuroso, potresti certamente costruire il tuo amplificatore di rilevamento della corrente da componenti discreti, sebbene una varietà di amplificatori di rilevamento della corrente sia disponibile dai principali produttori di IC. Questi IC offrono una gamma di tensioni e correnti in uscita, e possono essere facilmente integrati in circuiti regolatori di alta potenza.

Dove deve essere posizionato un amplificatore di rilevamento della corrente in un progetto di regolatore di potenza? La risposta è: nel loop di feedback. Come esempio di applicazione, l'amplificatore può essere utilizzato per misurare la corrente sull'uscita da un regolatore economico, e alimenta di nuovo potenza nel circuito del regolatore per regolare l'uscita. Questo è mostrato nello schema a blocchi qui sotto.

Amplificatore di rilevamento della corrente utilizzato per regolare un segnale PWM, che è utilizzato per controllare un regolatore a commutazione.

Alcuni amplificatori di corrente sono programmabili tramite un'interfaccia standard ad alta velocità. Piuttosto che regolare un segnale PWM, il guadagno in uscita può essere programmato con un altro dispositivo, come un MCU. Questi dispositivi possono anche essere utilizzati per la regolazione della potenza senza un regolatore IC standard, ovvero con un feedback in un MOSFET di potenza a commutazione in un circuito di regolazione personalizzato.

Specifiche Importanti degli Amplificatori di Corrente

Ecco alcune specifiche importanti da considerare quando si seleziona un amplificatore di corrente e lo si integra in un circuito di regolazione della potenza.

• Tensione massima di ingresso nominale: Un amplificatore di corrente misura tipicamente una tensione attraverso una resistenza di precisione, non direttamente la corrente. Il limite di tensione di ingresso dovrebbe essere maggiore dell'uscita dalla tua fase di regolazione.
• Ingresso in modo comune vs. Ingresso in modo differenziale: Il modo comune è il tipo di ingresso più comune per la corrente continua e l'alternata a bassa frequenza.
• Guadagno in uscita: Il guadagno in uscita è definito a livello hardware e determinerà quale livello di calo di tensione puoi compensare con il sistema.
• Corrente di polarizzazione in ingresso: L'ingresso è normalmente ad alta impedenza, quindi dovrebbe assorbire una corrente molto bassa. I valori tipici sono a livello di microampere.

Altre specifiche sono importanti, ma queste sono il punto di partenza migliore per selezionare un componente per la regolazione della potenza.

Opzioni di Amplificatori di Corrente

Texas Instruments, INA223

L'amplificatore di corrente a guadagno programmabile INA223 di Texas Instruments opera fino a 26 V in ingresso e include un'interfaccia programmabile tramite SPI. Questo dispositivo utilizza un ingresso di 3,3 V con una resistenza di rilevamento esterna per il rilevamento della corrente lato alto. Nota che la resistenza lato alto deve essere scelta in modo tale che la tensione di ingresso superi la tensione di offset massima di 10-20 mV (a seconda del guadagno in uscita). Di seguito è mostrato un tipico circuito di applicazione.

Diagramma di applicazione esemplificativo dal datasheet dell'INA223.

Analog Devices, LTC6102

L'amplificatore di corrente LTC6102 di Analog Devices è un componente più vecchio acquisito da Linear, ma è ancora in produzione ed è un'ottima scelta per regolatori di tensione più elevata. La variante standard consente ingressi da 4 a 60 V, e la variante ad alta tensione (LTC6102HV) opera da 5 a 100 V. Questo componente ha una larghezza di banda elevata che va da DC fino a ~200 kHz, e presenta una tensione di uscita altamente stabile rispetto alla temperatura.

Variazione della corrente e della tensione in uscita con i cambiamenti di temperatura per le varianti dell'amplificatore di corrente LTC6102 e LTC6102HV. Dal datasheet LTC6102.

Maxim Integrated, MAX4172

Il MAX4172 di Maxim Integrated è ideale per l'inclusione in un circuito di feedback del regolatore. Questo componente fornisce il monitoraggio della corrente lato alto con una tensione di ingresso fino a 32 V. La corrente a piena scala e il fattore di scala (tensione di uscita/corrente di sensazione) possono essere regolati selezionando la resistenza di sensazione lato alto appropriata sull'uscita del regolatore. L'errore in uscita con questo componente è di circa il 2% a temperatura ambiente e non supera il +/-6% a temperature operative estreme.

Diagramma funzionale del blocco dal datasheet MAX4172.

C'è un'ampia gamma di IC regolatori di corrente per l'uso in diverse gamme di corrente e tensione. Quando cerchi i componenti di cui hai bisogno per la regolazione della potenza, Octopart sarà qui per aiutarti a trovare i componenti di cui hai bisogno.

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