Cuatro razones por las cuales los sensores de corriente integrados son la solución ideal cuando el control, la eficiencia y la protección son fundamentales
Charles Flatot-Le Bohec, Global Product Manager para Electromovilidad, LEM
La detección de corriente es una función primordial en una gran variedad de dispositivos electrónicos, como fuentes de alimentación, sistemas de gestión de baterías, accionamientos de motores eléctricos y redes de energías renovables. Para que estén protegidos y funcionen de manera eficiente requieren una detección de corriente que sea exacta y fiable.
No obstante, medir la corriente conlleva retos como la densidad de potencia de los dispositivos y el objetivo siempre es hacer más con menos, como un tamaño más pequeño de la placa de circuito impreso. En este entorno marcado por las limitaciones de espacio y la mayor densidad de potencia, los sensores de corriente integrados (integrated current sensors, ICS) desempeñan un papel vital.
Los ICS, ideales para diversas aplicaciones de automoción, industriales o residenciales, son sensores de corriente basados en el efecto Hall que incorporan el conductor de corriente, elementos de detección, circuitos integrados para tratamiento de señal, algunas funciones especializadas como detecciones de fallos y aislamiento, todo ello en el mismo encapsulado.
La detección de efecto Hall es una forma de obtener medidas sin contacto en un campo magnético inducido por corriente. La célula Hall es el elemento de detección que convierte una variación del campo magnético en una variación de su resistencia y, cuando una corriente constante atraviesa la célula Hall, suministra una variación de la tensión de salida proporcional al campo magnético.
Como líder en medidas eléctricas durante 50 años, LEM desarrolla continuamente nuevas tecnologías para atender las cambiantes necesidades de sus clientes en los sectores que cubre, de ahí que la empresa haya invertido en su propia función de diseño de ICS y ahora se encuentra en pleno proceso de desarrollo de una gama completa de ICS.
Cuatro ventajas fundamentales explican por qué LEM cree que los sensores de corriente integrados son una inversión idónea. 
Diseño sin núcleo
Los sensores tradicionales de corriente de efecto Hall utilizan un núcleo de ferrita situado alrededor de un conductor de corriente y de los elementos de detección para concentrar el campo magnético. Este núcleo también aporta protección frente a campos magnéticos externos no deseados y al ruido. La medida diferencial permite eliminar el núcleo de ferrita y utilizar dos elementos de detección (las células Hall) que reciben el campo magnético a medir: uno con factor positivo y el otro negativo. La diferencia entre ambos campos permite cancelar cualquier otro campo magnético no deseado.
Los ICS aprovechan la medida diferencial para no recurrir a un núcleo de ferrita. La eliminación del núcleo ofrece varias ventajas en aplicaciones embebidas. Por ejemplo, el coste del dispositivo se ve reducido, la densidad de potencia en la parte de detección aumenta mecánicamente (hasta 75A en aplicaciones de 800V para los productos ICS de LEM) y la medida no se ve afectada por la histéresis magnética (cuando se aplica un campo magnético externo a un material ferromagnético y los dipolos atómicos se alinean con él). Finalmente, la frecuencia y el ancho de banda no se ven limitados por la saturación inherente del elemento magnético del núcleo.
Aislamiento embebido
Algunos sistemas necesitan un determinado tipo de aislamiento para proteger al usuario final, lo cual significa que la interfaz de usuario debe estar separada físicamente de la red de alta tensión y no puede compartir el mismo nivel de referencia de tensión. Un ICS integra la función de aislamiento dentro (aislamiento galvánico) y fuera (distancias en el aire y líneas de fuga) del dispositivo, lo cual significa que si no hay conexión física entre conductor primario por el que circula la corriente de alta tensión y el circuito secundario con el chip ASIC (application specific integrated circuit) y las patillas secundarias. Estas dos partes solo se comunican a través del campo magnético generado por la corriente que circula.
La producción del ASIC del ICS se basa en el proceso de fabricación de semiconductores CMOS que permite integrar determinadas funciones en el componente sin añadir hardware alguno. Por ejemplo, todos los elementos analógicos y digitales necesarios para detectar, amplificar y procesar la señal de tensión proporcional se fabrican en un solo chip con materiales semiconductores, asegurando así sus bajos niveles de consumo y disipación de potencia.
La detección de sobrecorriente (over-current detection, OCD) también es un factor importante. Con la OCD interna, cuando la corriente supera un umbral activa internamente una señal que envía a una patilla de fallo. Esto permite que el microcontrolador de la aplicación reciba la información de alerta con un tiempo mínimo de retardo. De lo contrario, la acción se debería realizar internamente y en función del nivel de corriente enviado por el sensor, por lo que tardaría mucho más.
Compensación y otras funciones integradas
Por lo que se refiere al estrés y la compensación de temperatura, si el ASIC está sometido a estrés mecánico en el encapsulado, puede generar una deriva de la sensibilidad (lo mismo puede ocurrir con variaciones de la temperatura de -40°C a +125°C). Los sensores internos del ASIC compensan esta deriva para garantizar una sensibilidad lineal y exacta bajo muy diversas condiciones. En un diseño basado en componentes discretos, la temperatura de la derivación (shunt) varía mucho dependiendo de las pérdidas resistivas, de ahí que exija otro paso más en el proceso de diseño del microcontrolador para que la compensación sea exacta. En cambio, la solución basada en ICS simplemente se ha de conectar.
La tensión de salida suele ser proporcional a la corriente medida, pero hay dos tensiones de referencia posibles. En modo proporcional, la tensión de salida (Vout) se expresa como un porcentaje de la tensión de alimentación (Vcc) y requiere una fuente de tensión estable. En modo fijo (no proporcional), Vout se compara con una tensión de referencia externa (Vref). La señal proporcional es en tal caso Vout menos Vref, pero cuando la corriente a medir es 0A, Vout = Vref. En otras palabras, la tensión de referencia está determinando la tensión de salida en reposo (modo de corriente cero).
LEM ha desarrollado dos familias de ICS: las series HMSR y GO. Los ICS HMSR y GO-SMS de LEM incorporan OCD interna y externa para proteger el sistema al máximo y también disponen de salidas de tensión y fija, a escoger dependiendo de las características del sistema. La serie HMSR de LEM proporciona una mayor inmunidad con su núcleo integrado, mientras que la serie GO aprovecha al máximo las medidas diferenciales para ofrecer todo el rendimiento de un sensor de corriente de efecto Hall en un formato SOIC (outline integrated circuit) SOIC8 o 16 para montaje superficial. Por ejemplo, GO-SMS puede garantizar un aislamiento básico de hasta 2088V y un aislamiento reforzado de 1041V (modo CC o tensión máxima de funcionamiento) en conformidad con IEC 62368-1.
Diseño plug-and-play
En resumen, los sensores de corriente integrados permiten a los diseñadores realizar la función de detección de corriente mediante un enfoque plug-and-play (conectar y usar) que supera prácticamente todos sus desafíos con un solo componente. La total integración mecánica y las pérdidas muy bajas de potencia logran que el ICS ocupe el menor espacio posible y que no presente ninguna dificultad de tipo térmico.
Por su diseño, la medida sin contacto con aislamiento galvánico, junto con las distancias en el aire y las líneas de fuga estándar, hacen que los ICS resulten adecuados para aplicaciones de alta tensión y que puedan ofrecer una estrategia de diseño con un aislamiento reforzado. Los encapsulados más pequeños con menos aislamiento y menor funciones pueden disminuir el coste para que sea competitivo cuando el aislamiento no sea necesario (< 60VCC). Esta flexibilidad en la definición del producto permite que los ICS de LEM sean apropiados para diversos productos, bien sea en aplicaciones con un coste optimizado o en diseños aislados de gama alta.
El rendimiento de los ICS no se ve comprometido porque todo el tratamiento de la señal se efectúa en el encapsulado con elementos semiconductores. Esto permite integrar mecanismos de protección del sistema de carácter específico como la detección de sobrecorriente rápida. Dependiendo de la arquitectura del sistema y del diseño escogido, la tensión de salida proporcional a la corriente puede tomar como referencia la tensión de alimentación (Vcc) o una externa (Vref).
Está claro, pues, que los sensores de corriente integrados son ideales en una gran variedad de aplicaciones que necesiten control, eficiencia y protección. In particular, los ICS más recientes de LEM son especialmente idóneos para aplicaciones con poco espacio y una elevada densidad de potencia.
LEM tiene previsto desarrollar más productos ICS que cubran las necesidades específicas de sus clientes. En una siguiente fase presentará el HMSR DA, el primer ICS con salida digital sigma delta.
