設計作業を行う際、最も正確な測定値を得ることは、部品の選択、PCB設計、および電力の考慮にとって重要となります。
Texas Instrumentの電流センシング マーケティング マネージャーであるDan Harmonによるこの記事では、Danがローサイド電流センシングの詳細について説明し、センシング パフォーマンスを最大化するためのいくつかのオプションについて説明します。結果を改善し、デザインを合理化し、コストを抑える方法について詳しくは、以下をお読みください。
ローサイド電流検知とは何ですか?
電流を測定する最も一般的な方法は、ローサイドセンシングです。センス素子またはシャント抵抗器は、負荷とグランドの間に負荷と直列に配置されます (図1)。
図1: ローサイド電流検出用に構成された簡略化された回路図。
ローサイドセンシングの欠点は、システム負荷の接地電位が乱れることと、負荷の接地短絡を検出できないことです。コモンモード電圧がグランドに近いため、ローサイドセンシングが望ましいです。コモンモード範囲がゼロまたはゼロに近い場合、従来の演算増幅器 (オペアンプ)、計装アンプ (INA)、差動増幅器、または電流検出増幅器 (または電流シャント モニタ) を使用してローサイド検出を実装できます。
シンプルなオペアンプ 電流検出にオペアンプを使用すると、電源電圧によって制限される入力コモンモード電圧によって制限されます。大きなオープンループ ゲインにはフィードバックが必要であり、その使用はシングルエンド入力信号に制限されます。シャント抵抗器とグランド トレース間の寄生抵抗がシャント抵抗器の値に加算されます (図2)。寄生抵抗によって発生する電圧はシャント電圧を「台座化」し、誤差を引き起こします。この寄生抵抗は製造時に大きく変化する可能性があります。精度と一貫性を高めるには、シャント抵抗器全体の差動測定が必要です。オペアンプ ソリューションはおそらく最も低コストのオプションですが、外部コンポーネントに多額の費用をかけない限り、精度は最も低く、デバイスのコスト削減が相殺されます。
図2: ローサイド電流検出にシンプルなオペアンプを使用する回路例。寄生抵抗によって生じる誤差を強調しています。
差動アンプ 従来の差動アンプ (DA) は、精密に調整された抵抗ネットワークを備えたオペアンプです (図3)。DAは通常、ユニティ ゲインで大きな信号を駆動するように設計されています。これにより、追加のゲイン ステージを追加しない限り、シャント抵抗器で通常見られる小さな信号での有用性が制限され、追加コストが発生します。
DAは、有限の共通モードおよび差動モードの入力インピーダンスのため、システム バス電圧の負荷として認識されます。この負荷はシステム バス電圧から電流を引き出すため、測定に不確実性が生じます。これらの入力インピーダンスによる測定誤差を減らすには、入力インピーダンスをシステム負荷インピーダンスよりも大幅に大きくする必要があります。
ローサイド電流検出ソリューションのコモンモード電圧は0 Vに近いため、コモンモード入力インピーダンスの影響は最小限に抑えられますが、差動モード入力インピーダンスは依然として要因となります。ローサイド測定にDAを使用すると、オペアンプで説明したように、シャント抵抗と直列に接続されたグラウンドへの寄生抵抗によって発生する問題が解消されます。
図3: 寄生抵抗によって生じる誤差を排除し、ローサイド電流検出に差動アンプを使用する回路例。
計装アンプ 計装アンプ (INA) は通常、バッファ入力を備えたDA出力段で構成されます (図4)。DAに対する最初の利点は、入力が高インピーダンスのバッファ アンプの非反転入力に接続されていることです。これにより、システム電圧への負荷がほとんどなくなり、小さな電流の検知が可能になります。また、INAは外部抵抗 (RG) を使用してデバイスの差動ゲインを簡単に変更する機能も提供します。ただし、精度を最大限に高めるには、コストのかかる高精度抵抗器が必要です。
さらに、ローサイド センシング アプリケーションの場合、3段INAには出力段に内部ノードがあり、通常はデュアル電源実装が必須となり、システム コストが上昇する可能性があります。INAは3段構成で高精度抵抗器が内蔵されているため、大型のデバイスになりやすく、コストも高くなります。
図4: 寄生抵抗によって生じる誤差を排除し、ローサイド電流検出にINAを使用する回路例。
電流検出アンプ/電流シャント モニタ 電流検出アンプ (CSA) は、システムにほとんど負荷をかけず、独自の入力段の設計により、高いコモンモード電圧条件下で電流を検出できるデバイスです。電流検出アンプは小型、低コスト、そして使い方が簡単です。これらにはすべてのゲイン設定抵抗器が含まれており、最大ゲイン誤差が指定されているため、多くの外部精度要因が排除されます。差動入力構造とゼロドリフトアーキテクチャにより、電流シャントモニターは配線とPCBレイアウトの寄生抵抗を排除します。これにより、寄生レイアウトと配線抵抗が銅であり、高温係数を持つため、全温度範囲にわたってパフォーマンスが向上し、エラーが減少します。
電流検出モニターは、入力インピーダンスとコモンモード除去比 (CMRR) が非常に高く、精度を最大限に高めるために重要です。CSAのアーキテクチャによって実現される精度により、より小さな値のシャント抵抗器を使用して、上記の代替手段と同じ結果を達成できます。より小さなシャントを使用すると、負荷損失とシステム内の熱が最小限に抑えられます。
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初期の電流シャント モニターはハイサイド アプリケーションのみを対象としており、コモン モード範囲に0 Vは含まれていませんでした。ほとんどの新しいデバイスでは、コモンモード範囲にグランドが含まれています。たとえば、 INA199 ファミリは、コモンモード範囲が -0.3 V ～ +26 Vであるため、ローサイドで使用できます。標準オフセット電圧は ±5 µVで、温度ドリフトはわずか0.1 µV/°Cです。これを、標準的なゲイン誤差 ±0.03% と組み合わせると、温度ドリフトは3 ppm/°Cとほぼゼロになります。
概要 ローサイド電流測定にはさまざまな選択肢がありますが、電流シャント モニターは、精度の面で大きな利点があり、消費電力が低く、フットプリントが小さいという利点があります。これらにより、多くの場合同等かそれ以下のコストで、より小型のシャント抵抗器を使用できるようになります。
表1: さまざまなローサイドセンシングの代替案。
電流検出アンプを使用したローサイド電流検出は、より小さなフットプリントで優れた精度を提供し、消費電力も少なくなります。そのため、電流検出アンプを使用することは、設計の機能性を高め、PCBのサイズとコストを最小限に抑えるのに最適な選択肢となります。