- Lem fait le point sur l’évolution des capteurs de courant intégré et détaille leurs avantages en termes de rapport signal/bruit, de coût et d’encombrement.
- Lem a notamment conçu le capteur de courant HMSR DA afin qu’il réponde aux exigences des applications nécessitant des mesures de haute résolution, dans des milieux hostiles soumis à de fortes contraintes de bruit.
- Ce capteur de courant intégré avec sortie numérique vise notamment les applications qui doivent disposer de signaux numériques précis. Il peut notamment être intégré à des servocommandes, des systèmes robotisés, des engins autonomes, des machines-outils…
1. Pouvez-vous décrire brièvement l’évolution des capteurs de courant intégrés et la tendance actuelle à la miniaturisation et aux améliorations de performances ?
Les capteurs de courant intégrés sont avant tout des capteurs de courant. Le remplacement des gros modules de capteurs de courant par des capteurs de courant intégrés résulte directement de la densité de puissance accrue des systèmes électroniques, avec des tensions et des intensités plus élevés sur des produits plus compacts et légers, tels que les nouveaux servo-robots industriels de 800 V. Les capteurs de courant intégrés bénéficient des techniques d’encapsulage des semiconducteurs qui résolvent les défis d’isolation liés à l’accroissement de la tension, ainsi qu’à la chaleur générée par des intensités plus élevées. Enfin, les capteurs de courant intégrés autorisent un processus de fabrication plus efficace, car ils sont conçus pour être montés directement en surface sur les cartes de circuits.
2. Qu’est-ce qui a poussé Lem à concevoir et produire ses propres capteurs de courant intégrés ?
Lem développe des capteurs de courant depuis plus de 50 ans pour des applications très différentes. La conception de composants électroniques miniatures est une évolution naturelle pour nous. L’un des objectifs de notre offre de capteurs de courant intégrés consiste à offrir une véritable option par rapport au marché des shunts. En effet, la conception intégrée assurant le traitement du signal et l’isolation fait qu’un capteur de courant intégré constitue une solution d’isolation plus compacte et efficace qu’un shunt associé à un amplificateur isolé ou à un isolateur digital. Notre expérience nous place dans une position idéale pour concevoir, développer, créer et proposer à nos clients des capteurs de courant intégrés optimisés et créer ainsi de la valeur, avec un encapsulage novateur, de meilleures performances et une qualité fiable. Notre grande expérience en conception, test et fabrication de semiconducteurs nous a permis de mettre en place des systèmes et une stratégie à long terme, que ce soit en termes de technologie ou de feuilles de route de produits.
3. Quelle est l’importance des retours des clients dans le développement de capteurs de courant intégrés, notamment pour identifier les fonctionnalités clés recherchées par les utilisateurs ?
La tension et l’intensité augmentent constamment, mais il ne faut pas perdre de vue le « profil de mission » de l’application, à savoir, quel niveau de performance le système doit atteindre. Cela a un impact direct sur les critères d’isolation et le courant géré par le produit fini. De plus, un système électronique de puissance réunit des aspects matériels et logiciels. Par exemple, la façon dont le système est contrôlé influe sur sa précision et la fréquence d’échantillonnage, donc sur la bande passante du capteur. Les standards et les normes imposés aux clients conditionnent également les caractéristiques du capteur. Pour finir, le test du composant dans l’environnement système du client permet non seulement de s’assurer que le capteur remplit sa fonction, mais également de comprendre comment il doit être utilisé pour assurer les performances prévues.
4. Comment les fonctionnalités de la série HMSR répondent-elles aux besoins des ingénieurs en électronique, notamment en termes d’applications à haute tension et intensité, et d’immunité aux champs externes ?
L’augmentation de la tension est une tendance indéniable. Elle fait évoluer les conditions d’isolation, afin d’assurer la sécurité et la protection des clients, que ce soit sur une isolation simple ou renforcée. Cela concerne aussi bien ce qui se passe à l’intérieur même du composant (tenue en tension pour éviter les courts-circuits internes) que ce qui passe dans son environnement, en termes de ligne de fuite et distance d’isolement entre le circuit principal haute tension et le circuit secondaire à basse tension. La série de capteurs de courant intégrés HMSR bénéficie d’une distance de 8 mm dCl/dCp pour les applications en 800 V. Pour les applications à haute intensité, la série HMSR intègre un grand conducteur principal avec des capacités supérieures de résistance à la fusion. Le capteur peut accepter une très forte intensité sans fondre. Ce dispositif est homologué pour un courant d’impulsion pouvant atteindre 20 kA.
Concernant l’immunité par rapport aux champs externes, les capteurs de courant intégrés appliquent une mesure différentielle. Deux éléments sensibles captent les mêmes champs magnétiques avec une polarité opposée, et en combinant la différence de ces deux champs mesurés, les champs externes non souhaités sont annulés, tandis que les champs voulus sont additionnés. De plus, la série HMSR emploie un micro-cœur interne qui forme une barrière naturelle contre les champs externes et crée une concentration magnétique du champ à mesurer.
5. Le HMSR DA est connu comme étant le premier capteur de courant intégré du marché à offrir une sortie binaire Sigma-Delta. Pouvez-vous expliquer l’importance de cette sortie numérique ?
La beauté de la sortie numérique ∑∆ du HMSR DA est qu’elle offre des performances significativement supérieures en termes de résolution et réduction du bruit par rapport aux sorties de tension analogiques traditionnelles, tout en donnant au client la liberté de configurer le filtrage et l’échantillonnage en fonction du temps de réponse acceptable (temporisation). Par exemple, pour une sortie haute résolution, un filtre plus lent et d’ordre supérieur est utilisé. Pour un résultat plus rapide à une résolution inférieure, il est possible d’appliquer un filtre plus rapide et d’ordre plus bas. Par conséquent, le rapport signal/bruit est beaucoup plus important. D’autre part, un rapport de suréchantillonnage plus élevé augmente la temporisation, mais améliore la résolution. Le capteur peut être adapté aux besoins du client en fonction des besoins.
6. Quels sont les avantages de la sortie binaire sigma-delta du HMSR DA par rapport aux autres capteurs de sortie numérique, capteurs de courant intégrés ou solutions de capteur de courant ?
Le flux de bits ∑∆ est un signal numérique qui transfère les informations de façon plus précise que la sortie de tension analogique, et cette résolution est quantifiée en nombre effectif de bits (ENOB). La sortie numérique du HMSR DA présente un maximum de 13 bits effectifs, tandis qu’un capteur de courant intégré comparable à sortie analogique est limité à neuf bits effectifs. Pour chaque bit supplémentaire, la résolution est multipliée par deux. Il s’agit du nombre d’éléments d’information dans lesquels le signal est divisé pour être traité. Plus ce nombre est élevé, plus la forme d’onde numérique est précise par rapport au signal d’origine sans bruit. Sur d’autres capteurs de courant intégrés, davantage de bruit transiterait et serait capté. Plus spécifiquement pour le HMSR DA, et grâce à son isolation intégré et son circuit ASIC pour le gain, la compensation et la conversion analogique vers numérique, il s’agit d’une solution plus économique et compacte de remplacement des shunts et des isolateurs numériques dans les applications à haute tension, telles que les servo-robots industriels.
7. Quelles sont les applications pour lesquelles le HMSR DA serait à privilégier ? Pouvez-vous préciser comment la sortie numérique du HMSR DA résout les défis de bruit et d’interférence dans ces applications ?
Les principales applications pour le HMSR DA sont les servomoteurs pour lesquels la boucle de contrôle du moteur nécessite un signal d’entrée avec une forme d’onde aussi proche que possible du signal de courant d’origine, même avec temporisation, afin d’obtenir un positionnement très précis, pour un bras robotique, par exemple. Une résolution effective élevée et un faible bruit, grâce au suréchantillonnage (OSR) et au filtrage, rendent cela possible. Sur des distances plus longues (fils), un signal numérique ne sera pas pollué par les interférences électromagnétiques, contrairement à la version analogique. Cela permet de placer l’entraînement à l’écart des servomoteurs et donne plus de liberté pour la conception de l’ensemble d’un système, tel qu’un robot. De plus, dans la mesure où la temporisation est constante (fixe) pour un OSR et un ordre de filtrage donnés, il est possible de prendre cela en compte sans compromis sur les performances du système.
8. Quels sont les objectifs à plus long terme de Lem pour les capteurs de courant intégrés, et comment pensez-vous que ces avancées vont impacter les performances du capteur et sa gamme d’applications ?
La tension et l’intensité augmentent constamment, et les cibles d’efficacité des systèmes sont plus ambitieuses que jamais. Cela implique une boucle de contrôle toujours plus précise, avec de meilleurs logiciels et un matériel plus réactif. La précision doit donc être renforcée sur l’ensemble de l’échelle de mesure, de 1 A ou moins, à plusieurs centaines d’ampères. Pour les applications numériques, une fréquence d’horloge plus élevée facilite la résolution efficace du signal de sortie et sa précision, grâce à un facteur ENOB (nombre effectif de bits) plus élevé.
Plus généralement, pour l’ensemble de l’offre en capteurs de courant intégrés, il est possible d’atteindre une plus grande efficacité avec des transistors SiC ou GaN. Aux niveaux actuels des capteurs, la fréquence d’échantillonnage doit être jusqu’à 10 fois supérieure à la fréquence d’échantillonnage du système pour une boucle de contrôle très précise. Cela a un effet direct sur la bande passante requise du capteur. Pour finir, les technologies d’encapsulage doivent être améliorées pour gérer des niveaux d’isolation toujours plus élevés, avec des applications à 1 000 V en vue, et améliorer la dissipation thermique.
9. Qu’est-ce que Lem a prévu pour encourager les ingénieurs à adopter la technologie HMSR, et comment est-ce que le HMSR DA s’inscrit dans la feuille de route de développement des capteurs de courant intégrés numériques ?
Lem propose une offre complète de capteurs de courant intégrés pour remplacer les shunts avec amplificateur (numérique) isolé et réduire l’encombrement sur les cartes de circuits. Selon l’application, de nombreuses options existent pour optimiser l’intégration d’un capteur avec sortie ∑∆ : le rapport de suréchantillonnage (OSR), l’ordre de filtrage, la temporisation voulue, la résolution recherchée… Il reste donc possible de faire le meilleur choix sans compromis sur les performances. Par exemple, réduire l’OSR de 256 à 128 divise la temporisation par deux, ce qui est intéressant, mais ne réduit la résolution que de 0,5 bit (de 13,3 à 12,8 bits effectifs). Au niveau plus général de la feuille de route, la fréquence d’horloge constitue un autre facteur clé de performance, comme indiqué, car une meilleure bande passante se traduit par une résolution plus efficace. Pour le moment, notre offre avec sortie digitale concerne principalement les servomoteurs ayant des besoins spécifiques en termes de résolution et de temporisation. De nouveaux développements vont ouvrir cette offre à toute application où le déplacement d’un signal avec très peu de distorsions dans les environnements bruyants sur des distances plus longues est essentiel, avec des critères ENOB et de temporisation de signal plus stricts. La digitalisation ne fait que commencer.
