最新の電子回路における正確な電流測定:ボードレベルの監視のためのさまざまな測定方法の比較

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はじめに

パワーエレクトロニクススイッチング技術が進歩するにつれて、フィードバック制御およびシステム監視のために電流を正確に測定する必要性が高まっています。これを実現する方法はいくつかありますが、それぞれに利点と制限があります。この論説が焦点を当てるのは、コンピュータ / テレコムボードの入力電流、インバータ相電流、および数アンペアから最大100Aまでの電流を流すその他の回路などの電流を、必要とする比較的高い精度と帯域幅で測定する方法です。

特に、この論説では、ホール効果電流センサ、および負荷スイッチまたは電子ヒューズデバイスに集積された電流ミラーを使用するセンサを使用して電流を測定する方法に関する具体的な詳細を確認します。これらの方法は、シャント抵抗を使用する電流検出アーキテクチャと比較されます。

背景

歴史的に、電流シャントと変流器は、電気および電子回路の電流を感知するための最良の方法と考えられていました。ただし、これらの方法には重大な欠点があります。それは、電流シャントでは、信号対雑音比と検出素子の電力損失の間で妥協が必要になるためです。このトレードオフにより、広い電流範囲で正確な測定を行うことが困難になります。さらに、変流器は通常、大きくて高価な解決策であり、AC電流の測定にのみ適しています。

現在の測定方法

半導体技術の進歩により、ホール効果センサと電流ミラーが導入されました。これらは、信号対雑音比を最適化するために簡単にスケーリングできる出力を備えた、実質的に無損失の電流検出デバイスです。この記事では、これらの解決策に焦点を当てます。

電流ミラーの検知方法

電流ミラーの電流検出は、通常、スマート電力段、負荷スイッチ、電子ヒューズなどの内部パワーMOSFETを備えたデバイスで使用されます。このアプローチでは、パワーFETのいくつかのセルを使用して、メインスイッチを流れる電流に比例する電流出力を生成する電流ミラーとして機能します。

この電流が外部抵抗を流れるとき、メインFETを流れる電流に比例した電圧を簡単に作成できます。ハーフブリッジ電力段は、広い電流能力 (10Aから90A) と5μA/Aから10μA/Aのゲインの電流ミラー出力を提供するため、この測定方法を使用する理想的なデバイスです。これらの電力段は、単相または多相構成の同期降圧レギュレータを使用するアプリケーションに特に役立ちます。

他の応用では、突入電流または過負荷状態から下流の電子機器を保護できる負荷スイッチまたは電子ヒューズ回路があると有利です。このような回路は通常、パワーMOSFETをスイッチ要素として配置し、電流ミラーはこれらのデバイスを流れる電流を監視するための費用効果の高い方法です。一例として、MPSのMP5921があります。これは、電流および温度の監視機能に加えて、いくつかのレベルの保護を提供する高度なホットスワップ電子ヒューズデバイスです (図1を参照) 。

図1:MP5921機能ブロック図

MP5921は、スタンドアロンモードで最大50Aの持続電流をサポートでき、複数のデバイスで並列構成で配置すると、さらに高い電流をサポートできます (図2を参照) 。

図2:MP5921並列動作

MP5921は、MP5920と組み合わせて動作できます (図3を参照) 。MP5920を使用すると、現在の信号をデジタル形式に変換して、I2Cを介して監視することができます。

図3:MP5921MP5920との並列操作

これらのソリューションは、コンピューティングボードやサーバーボードにDC / DCコンバータを搭載したアプリケーションに最適です。モータ・ドライバやAC / DC回路を使用するアプリケーションなど、他のアプリケーションは、モータ・ドライバまたはパワーインバータのAC電流と一致する双方向信号を生成できる電流検出デバイスの恩恵を受けます。

ホール効果電流検出法

これらのアプリケーションに存在する高電圧は、周囲のロジックレベルの回路に危険を及ぼす可能性があります。ホールベースの電流センサは、高電圧、大電流回路と、デバイスの制御に使用されるロジックレベル回路との間にガルバニック絶縁を提供できます。これは、すべての電流が生成する磁場を感知することによって実現されます。これらのセンサは、電流に正比例する電圧を出力します。

MPSの電流センサであるMCS180xファミリは、最大2200Vの絶縁電圧と最大280Vの動作電圧で高精度のホール効果電流検出を提供します。これらの電流センサは、最大50Aの応用で使用できます。ホール効果電流センサの一般的な用途の1つは、インバータです。この記事では、パワーエレクトロニクス (UPS、モータ・ドライバ、ソーラー応用など) に広く普及しており、フェーズの1つを削除することでオフラインアプリケーションに簡単に一般化できる、3相インバータについて説明します。通常、センサは相電流をコントローラにフィードバックするために使用されます (図4を参照) 。図4では、高電圧側が赤でマークされ、論理電圧が緑で示されています。絶縁は、一次側 (通電リード) を二次側 (出力リード) から電気的に分離することによって実現されます。

図4:絶縁相電流検出を備えた典型的な三相インバータシステム

図5は、MCS180x電流センサのリードフレームとダイを示しています。図5では、一次側が銅色で、電流の流れは赤い矢印で表されています。実際のアプリケーションでは、電流はどちらの方向にも流れる可能性があることに注意してください。アンペールの法則に従って、電流の流れによって磁場 (青で表示) が生成されます。これは、磁場の大きさが電流密度に正比例することを示しています。

プライマリはシリコン (黒で表示) に接触しないことに注意することも重要です。代わりに、エアギャップと酸化シリコン絶縁によって分離されています。磁場の方向と振幅はシリコンダイのホールセンサによって検出され、その信号は増幅されて2次ピン (銀色で表示) の1つに出力されます。他の2次ピンは、VCC、GND、およびフィルタピンです。フィルタピンは、帯域幅と信号ノイズの間にトレードオフを生じさせます。

図5:MCS180xホール効果電流センサのリードフレームとダイ

MCS180xセンサはレシオメトリック出力を備えています。つまり、VCC / 2を中心にしています。正の電流が流れると、出力電圧は電流に比例してVCC / 2からVCCまで上昇します。負の電流が流れると、出力はVCC / 2から0Vまでに低下します (図6を参照) 。この製品ファミリでは、IPMAXは部品番号のサフィックスで示されます (たとえば、MCS1802-10のIPMAXは10Aです) 。これにより、設計者はアプリケーションに適した電流範囲を選択できます。使用可能なオプションは、5A、10A、20A、30A、40A、および50AIPMAXです。

図6:ホール効果電流センサのレシオメトリック出力

結論

この論説では、正確な電流測定に利用できるオプションに焦点を当て、アプリケーションに最適な電流検出ソリューションを選択する方法を明確にしました。可能な限り最も効率的なソリューションを作成するには、設計プロセスの早い段階で技術オプションを検討し、電源要件や達成可能な出力信号範囲など、各解決策の詳細に注意することが重要です。MPSのMCS180xホール効果センサを使用して、電流ミラーリングテクノロジが、電力損失とシステムの複雑さを軽減しながら、設計者がシステムレベルのパフォーマンスを向上させる方法を示しました。

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