自動車市場は、機械的な作動とタイミングの方法から電気駆動システムに移行しています。Allegro Microsystems のシステム エンジニアGeorges El Bacha氏とAli Sirohiwala氏によるこのアプリケーション ノートで、ホール効果デバイスがこれらのアプリケーションに特に適していることが実証されています。
ベルト駆動や油圧アクチュエータの代わりに電動アクチュエータを使用することで、HEVおよびEVのエネルギー効率を向上させることができます。たとえば、従来の内燃エンジンでは、ファンベルトが冷却ファンを駆動し、エンジンの稼働中はファンが継続的に作動します。パワーステアリングポンプやその他のベルト駆動負荷にも同じことが当てはまります。
技術置き換えの利点
図1 に示すように、ベルト駆動アクチュエータを電動モーターに置き換えると、エネルギー効率が向上し、アクチュエータの制御が向上します。
図1. 電力効率の高い電動アクチュエータ
高精度の高速電流センサーICは、モーターのパフォーマンスを最適化するために必要な帯域幅、応答時間、低ノイズ、および精度のパフォーマンスを提供します。また、過電流状態を報告し、保護回路を作動させることにより、故障を迅速に検出することもできます。Allegroホール効果電流センサーICは、動作温度範囲全体にわたって均一な感度を提供し、オフセット電圧を最小限に抑えるように工場で調整されています。これらのパッケージの小さなフットプリントと設計上のガルバニック絶縁により、ハイサイドおよびローサイドの電流検知が容易になり、PCB領域を節約できます。特に、 図2 に示すような、検知抵抗とオペアンプ電流に基づく従来の検知ソリューションと比較すると、その効果は顕著です。
図2. 一般的なホール電流センサーICと従来のセンス抵抗およびオペアンプ電流検知のPCB体積の比較
示されているSOICパッケージは、ホール ソリューションの典型です。このパッケージを使用する製品ラインの1つであるAllegro ACS714では、低抵抗の統合導体が感知電流の経路として機能し (図3、左パネル)、ガルバニック絶縁を維持しながら感知要素に近接させます。これにより、電力損失が最小限に抑えられ、高度なHEVシステムに必要な高精度の測定が可能になります。
具体例: スマートバッテリー
ローサイド電流検知の実装の関連が高まっている例として、スマート バッテリー システムの充電電流モニタリングが挙げられます。図3に示すように、これらのバッテリー システムには、2つのバッテリー端子に加えて、通常、バッテリーの状態を確認するための単線データ ラインと、バッテリーの温度を監視するための単線サーミスタ出力の2つの診断信号があります。これらの診断はバッテリーのマイナス端子を基準にしています。
図3. スマートなバッテリー電流検知。左の図はACS714に搭載されている統合一次感知電流パスを示しています。
一見単純に見える感知抵抗ソリューションの設計の複雑さは、感知決定の効率と精度に直接影響を及ぼします。このアプリケーションでセンス抵抗器を使用する場合、設計エンジニアはさまざまな重要な誤差項を考慮する必要があります。その主なものは、抵抗器がバッテリーから大量のエネルギーを熱として放散するため、システムが非効率になり、アプリケーションに余分な熱伝達構造が必要になることです。
2番目に、熱現象は、センス抵抗器の両端に発生するセンス電圧 ( 図3 のVSENSE) にも影響します。さらに、センス抵抗器とオペアンプのソリューションでは、VSENSEをサーミスタ電圧VTHERMに重ね合わせる必要があります。これにより、充電コントローラが認識する電圧が次のように上昇します。
V′ センス = VSENSE + VTHERM
その結果、監視対象のバッテリー温度の誤差要因が増加します。これにより、バッテリー システムの充電制御が妨げられ、最終的にはHEVおよびEVシステムの成功に不可欠な要素であるバッテリー寿命が短くなります。
ホール効果センサーICソリューションを比較するには、最も基本的な考慮事項である導体抵抗から始めます。統合された導体電流パス抵抗は単純かつ大幅に低く、100 µΩ まで低下します。これにより、アプリケーション全体の電力消費が大幅に削減されます。
もう1つの重要な考慮事項は、統合導体ループの端子間で実質的にゼロの電圧が発生することです。電圧をトレース レベルに最小化すると、サーミスタ診断信号の精度と整合性が向上します (VSENSEは下限まで駆動されます)。
ホール効果技術を特徴付ける基本的な利点は、電流の流れと誘導された信号応答の間の磁気結合に依存していることです。これは、感知される電流ベースの磁気特性が実用的な温度範囲では熱に依存しないからです。これにより、電流レベルの変化に対する応答の全体的な直線性が保証されるだけでなく、高度なホール効果デバイスにロジック回路を組み込むことで、高度なカスタマイズが可能になり、プログラム可能な温度オフセットが提供され、パフォーマンスがさらに向上します。
これにより、システム設計全体の課題が簡素化され、ホールICは、導体抵抗と精度の複雑なコンポーネント依存性を伴う、比較的力ずくのセンス抵抗オペアンプ方式とはまったく対照的になります。センス抵抗オペアンプ方式を使用する場合は、消費電力を最小限に抑えるために低い抵抗値を使用する必要があります。ただし、抵抗が低いと逆の効果もあり、非常に小さな電圧が検出されるため、精度のパフォーマンスが低下します。前述のように、高度なホールICは非常に低い電圧で動作できます。さらに、デバイスのバックエンド ステージでは、統合ソリューションの優れた精度と低消費電力に影響を与えることなく、アプリケーション システム要件に合わせて調整されたデータ信号を出力できます。
実用的なセンシング ソリューション
Allegro MicroSystemsは、双方向または一方向のACまたはDC電流に比例した高精度で低ノイズの出力電圧信号を提供する、完全に統合されたホール効果電流センサーICの製品ラインを開発しました。デバイスの基本カテゴリは 図4に示されています。Allegro独自の統合ホール効果デバイスは、5 ～ 200 Aの電流を検知するための高度なICおよびパッケージング技術を採用しています。ホールICと外部磁気コンセントレータまたはコアを使用すると、さらに大きな電流を測定できます。Allegro電流センサーICを使用すると、設計エンジニアは、エネルギー効率の向上や新しい動作機能が求められる新しいEVおよびHEVアプリケーションでホール効果ベースの電流センサーICを使用できるようになります。電流検知が必要な場所では、統合型ホール効果ICがソリューションを提供できます。
図4. Allegroホール効果電流センサーICの一般的なパッケージ カテゴリ