電流検知には、ハイサイドとローサイドという2つの主な方法があります。
ローサイド電流検出
ローサイド電流検出とは
直流電流検知では、低抵抗器を負荷と直列に配置し、それらの両端の電圧降下を測定します。
本日の記事は、Texas Instruments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がお届けするものです。Danはローサイド電流センシングについて説明し、電流センシングの基礎について説明し、特にTexas InstrumentsのINA199について語ります。INA199は、電源電圧に関係なく、-0.3V ～ 26Vの範囲の電圧値でシャント間の電圧降下を検知できるTexas Instrumentsの電流検出アンプです。INA199には3つの固定ゲインと広い動作温度範囲が用意されており、適応性と堅牢性に優れた選択肢となっています。
ローサイド電流センシングとINA199の詳細については、Danの記事をお読みください。
ローサイド電流検出とは何ですか?
「ローサイドセンシング性能を最大化する方法」では、ローサイド電流センシングのさまざまなオプションについて説明しました。簡単に説明すると、ローサイド電流検知では、検知素子またはシャント抵抗器が負荷とグランドの間に負荷と直列に配置されます (図1)。これは電流を測定する最も一般的な方法です。
図1: 電流検出アンプを使用して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。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 (表1)、電流シャント モニタ (または電流センス アンプ) は、精度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く、より小型のシャント抵抗器を使用でき、多くの場合、同等かそれ以下のコストで済みます。
表1: さまざまなローサイドセンシングの代替案の比較。
電流検出アンプの精度の利点
電流検出アンプがどのようにして達成可能な精度を最大化するかを理解するために、平方根和二乗誤差計算による電流測定の総誤差を見てみましょう。
私は2つの主な誤差要因[1]であるVOSとゲイン%に焦点を当てます。
オフセット電圧による誤差 (eVOS-MAX) は、シャント抵抗器を流れる最小電流によって生成される電圧と、デバイスのデータシートに記載されている最悪のオフセット電圧との信号対雑音比 (SNR) です。なぜ最小電流なのか、(eVOS-MAX) がどのように計算されるかを見てみましょう (式2)。
ここで、一般的なオペアンプ LMV341と、中程度の精度で低コストの電流検出アンプ INA199と、VOSによるそれぞれの誤差を比較します。オペアンプのVOS最大値は25oCで4.0 mVですが、電流検出アンプは150 μ Vです。最小電流10Aと4 mΩ のシャント抵抗を想定すると、オペアンプでは10パーセントの誤差が生じますが、電流検出アンプではわずか0.4パーセントであり、明らかに改善されています。
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2番目に重大なエラーの原因はゲイン エラーによるもので、これは単純にパーセンテージを加算するだけです。オペアンプの実装（図2）の場合、ゲインは2つの外部抵抗（RFとRG）によって設定されます。抵抗器の許容誤差によってゲイン誤差が設定されます。設計者は、外部抵抗器のコストと必要な精度との間でトレードオフを行う必要があります。抵抗器の精度が高ければ高いほどコストも高くなります。電流検出アンプの場合、ゲイン誤差はデータシートで単純なパーセンテージとして表されます。
図2: 標準オペアンプを使用して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
最初の例の誤差レベルが許容範囲内で、オペアンプの実装コストが電流検出アンプよりも低い場合はどうなるでしょうか。電流検出アンプは、より低い値のシャントを使用することでシステム電力も節約するため、より良い選択肢となる可能性があります。上記と同じ動作ガイドラインを使用すると、シャント値を0.15 mΩ まで下げることができます。最小電流で誤差計算を行っているため、最大電流50Aでの電力節約を見てみましょう。両方の実装でシャント値を使用すると、最小電流で10パーセントの誤差を達成できますが、オペアンプ実装ではシステムの消費電力が10W増加しますが、電流検出アンプではシステムの電力バジェットに0.375Wしか追加されません。
導入コスト
実装にかかる大まかなコストを見てみましょう。比較を簡単にするために、電源電圧、必要なバイパス コンデンサ、およびシャント抵抗のコストはそれぞれ同じであると仮定します。考慮すべき残りの項目は、信号を増幅するための信号パスだけです。
図2に基づくと、オペアンプ実装のBOMはデバイスと2つの抵抗器で構成されます。ここで、これらの抵抗器が標準の5% で、合計コストがおよそ0.01ドルであると仮定します。この例では、TI Webサイトに掲載されているオペアンプの価格 ($0.20) を追加すると、実装コストは約 $0.21になります。ゲイン精度を上げるために抵抗器を0.5% に変更すると、総コストは0.24ドルまで跳ね上がる可能性があります。
図1に示す電流検出アンプの実装には外部コンポーネントは必要ないため、TIのWeb価格0.35ドルが実装の総コストとなり、0.1% を超えるゲイン精度を実現します。
最後に、これらの測定値に対する温度の影響と実装コストを考慮します。多くの電流センス アンプは、広い温度範囲にわたってVOSパフォーマンスの変化を低減するゼロドリフト アーキテクチャを備えています。さらに、統合されたゲイン抵抗器は正確にマッチングされており、非常に低い温度係数 (TEMPO) を提供します。INA199のTEMPCOは10 PPM/oCです。この組み合わせにより、電流検出アンプの実装における精度に対する温度の影響が最小限に抑えられます。多くのオペアンプは、温度によるVOSエラーを軽減する同様のゼロドリフト アーキテクチャを備えています。ただし、外部ゲイン抵抗は正確に一致させることができず、通常、TEMPCOはかなり大きくなります (>200 PPM/oC)。低TEMPCO抵抗器を購入するコストは大幅に増加し、オペアンプ実装のコストは電流検出アンプのコストと同等かそれ以上になります。
まとめ
ローサイド電流検出用の電流検出アンプとオペアンプを比較すると、電流検出アンプは次の特長を備えています。
• 精度が大幅に向上: 96% 以上 (例ではeVOSが減少)
• 同じエラー レベルで消費電力が削減: 96% 以上 (例では)
• ゲイン ネットワークのゲイン エラーと温度ドリフトが減少
この改善により、温度ドリフト要件に応じてBOMが増加する可能性がありますが、相対的なコストの増加はパフォーマンスの改善の半分未満です。
ハイサイドまたはローサイドの電流センシングを採用しているかどうかにかかわらず、優れた精度を提供する製品を使用します。Texas InstrumentsのINA199はまさにそれを実現するため、正確な結果が得られ、成功に不可欠なアプリケーションでのローサイド電流検知に使用するのに理想的な選択肢となります。Texas InstrumentsおよびArrow.comで提供される製品の詳細については、 TIメーカー ページをご覧ください。