Comment les résistances de détection du courant permettent une mesure et une gestion précises de la puissance

La demande continue en matière de rendement accru et d'une meilleure gestion de l'alimentation requiert une mesure précise du courant. Cette nécessité passe par diverses applications industrielles et grand public, et par différents composants électroniques de puissance, notamment les systèmes de gestion de batterie (BMS), les alimentations à découpage (SMPS) et les commandes moteurs.

Même si ces différents dispositifs permettent de mesurer le courant et de déterminer la puissance, l'utilisation d'une résistance de détection du courant (souvent appelée résistance shunt) et d'un amplificateur différentiel constitue l'une des solutions les plus adaptées techniquement et les plus rentables.

Une résistance de détection du courant est bien plus qu'une résistance ordinaire parmi tant d'autres avec la valeur souhaitée. Pour une détection précise, la résistance doit avoir une exactitude absolue élevée, offrir des performances de dissipation supérieure pour la fiabilité, être stable quant aux changements de température malgré l'auto-échauffement et les variations de température ambiante, et présenter des effets de contact thermoélectrique minimes.

Pour choisir la taille de la résistance de détection, vous devez d'abord déterminer une valeur de résistance adaptée en supposant une chute de tension maximum acceptable (V = IR) au niveau de la résistance de détection de courant à pleine charge. Une valeur nominale maximum d'environ 100 millivolts (mV) constitue un bon point de départ. Il s'agit souvent d'un bon compromis entre des facteurs comme la plage dynamique, la sensibilité, le bruit, l'entrave au flux de courant et la puissance perdue en raison de la dissipation.

Ensuite, vous devez examiner le courant maximum qui traverse la résistance afin d'en calculer la valeur la plus élevée, en appliquant la formule suivante : R = V/I. Dans de nombreux cas, cela donne un résultat de 1 milliohm (mΩ) ou moins. À l'aide de la valeur de la résistance choisie et du courant maximum, vous pouvez calculer la valeur nominale de dissipation requise pour la résistance en utilisant la formule I²R.

La topologie de connexion est essentielle

Élément tout aussi important, la configuration physique de détection doit réduire les éventuelles erreurs de mesure de la tension. Étant donné la valeur de résistance extrêmement basse et la faible chute de tension, certaines subtilités comme la résistance de contact entre les connexions électriques, les fils des capteurs et la résistance de détection deviennent des paramètres majeurs à prendre en compte.

Dans la configuration basique de détection de la tension à deux fils, les points de contact au niveau de la résistance pour le trajet du flux de courant et la connexion de la tension à la résistance sont les mêmes (Figure 1 à gauche).

Figure 1 : La détection à deux fils (à gauche) et la détection Kelvin à quatre fils (à droite) présentent une différence à la fois minime et significative dans leur connexion physique des points de contact du courant et de la tension. La détection à quatre fils réduit les erreurs dues aux pertes au niveau des fils de sortie. (Source de l'image : Wikipédia, modifiée par l'auteur)

Toutefois, la configuration évidente à deux fils peut compromettre la précision des mesures aux basses tensions qui traversent la résistance. Pour éviter les erreurs relativement petites, mais non négligeables, provoquées par les connexions de la détection à deux fils, il est courant d'utiliser une configuration de détection Kelvin à quatre fils (Figure 1 à droite).

Dans cette topologie, les connexions pour le flux de courant et pour la détection de la tension sont des points de contact indépendants. Même si les schémas de connexion électrique peuvent paraître similaires, les implémentations physiques diffèrent.

En séparant les contacts et le trajet du flux de courant des points de détection de la tension, la détection à quatre fils garantit qu'une chute de tension au niveau des fils de sortie et des contacts du flux de courant n'aura aucun impact sur la précision des mesures. Cela est particulièrement problématique lors de mesures de précision où la valeur de la résistance de détection est à peu près la même que celle des fils de sortie utilisés pour la mesurer.

La détection à quatre fils réduit considérablement ce problème en déplaçant les points de mesure de la tension juste à côté de l'impédance cible, contournant ainsi toute chute de tension potentielle dans le trajet du courant élevé.

Choisir la bonne technologie de résistance est tout aussi important

En plus d'avoir une faible valeur de résistance de 1 mΩ ou moins, la résistance de détection doit avoir un faible coefficient de température de résistance (TCR) afin d'empêcher toute dérive provoquée par des changements de température ambiante et un auto-échauffement induit par I²R. Par conséquent, la conception, le choix des matériaux et la fabrication de ces résistances sont des opérations hautement spécialisées.

La série CSI de résistances shunts à bande métallique de Bourns, Inc. aide les concepteurs à répondre à ces exigences. Les dispositifs de cette gamme sont disponibles dans de nombreuses combinaisons de valeurs de résistance dès 0,2 mΩ et de valeurs de dissipation de puissance jusqu'à 15 watts (W) (en continu).

Les résistances sont fabriquées avec un alliage de cuivre et un matériau résistif soudés par faisceau d'électrons, et sont disponibles dans des options à deux et quatre bornes. Les modèles à deux bornes sont proposés dans trois tailles d'empreinte : 5930, 3920 et 2512. Les dispositifs à quatre bornes sont conçus pour la mesure de résistance Kelvin à quatre fils plus précise et sont proposés dans une empreinte 4026.

Leur élément unique de détection du courant en alliage métallique est spécialement conçu pour l'utilisation de résistances shunt, avec une faible force électromotrice (FEM) thermique et des coefficients TCR de seulement ±50 parties par million par degré Celsius (ppm/°C) dans la plage de températures de +20°C à +60°C.

Il convient de noter que la fabrication de ces résistances fait appel à des connaissances contre-intuitives en matière de science des matériaux. En règle générale, il n'est pas souhaitable d'utiliser du cuivre à TCR élevé (environ 3900 ppm/°C) dans un composant à faible TCR. Toutefois, le cuivre présente également une excellente conductivité thermique, c'est pourquoi il est soigneusement intégré dans la conception de la résistance pour en augmenter les performances de gestion de la puissance.

Le CSI2H-2512R-1L00J (Figure 2) est un exemple représentatif de résistance à deux fils de la série CSI. Il s'agit d'une résistance de 1 mΩ et 5 W avec une tolérance de ±5 % et un TCR de ±75 ppm/°C. Il existe d'autres versions avec une tolérance plus stricte de ±2 % et même 1 %.

Figure 2 : Le CSI2H-2512R-1L00J est une résistance de 1 mΩ et 5 W conçue pour la détection à deux fils. (Source de l'image : Bourns)

Cette résistance est fabriquée à l'aide du matériau Type R de Bourns et présente une inductance propre extrêmement faible de moins de 2 nanohenrys (nH). L'inductance propre est un paramètre essentiel, mais souvent négligé, qui peut être problématique si la résistance se trouve dans un circuit de commutation haute vitesse.

Si vous avez besoin d'utiliser la détection Kelvin à quatre fils, la résistance de détection du courant CSI4J-4026R-1L00F est un composant de 1 mΩ répertorié à 8 W (Figure 3). Cette résistance ±1 % (également disponible dans des versions 2 % et 5 %) présente un TCR de ±75 ppm/°C. Son inductance propre est inférieure à 3 nH. Vous remarquerez sa configuration de contacts différente, conçue pour permettre une fonctionnalité à quatre fils.

Figure 3 : Avec ses points de connexion séparés supplémentaires, le CSI4J-4026R-1L00F de 1 mΩ est spécialement conçu pour la détection de courant Kelvin à quatre fils. (Source de l'image : Bourns)

Étant donné l'impact du TCR sur la précision de la résistance de détection, les fiches techniques de ces composants incluent différents graphiques illustrant le changement de résistance par rapport aux performances à 25°C.

Conclusion

Les résistances de détection peuvent paraître simples, mais il convient de les étudier plus en détail. Étant donné ce qu'elles doivent faire et les performances qu'elles doivent garantir dans leur application de niche, vous découvrirez vite qu'elles présentent des subtilités et des considérations auxquelles seul un fournisseur expérimenté, possédant une expertise des matériaux et un savoir-faire en fabrication, peut répondre. Le tout doit être étayé par une fiche technique détaillée.

Référence

1. Maxim/Analog Devices, note d'application 5761, "Lord Kelvin's Sensing Method Lives On in the Measurement Accuracy of Ultra-Precision Current-Shunt Monitors/Current-Sense Amplifiers"