設計目標

設計の説明

このハイサイド電流センシング回路は、レール ツー レール入力同相範囲を持つ 1 つのコンパレータを使用して、負荷電流が 1A を超えた場合にコンパレータの出力 (COMP OUT) に過電流アラート (OC-Alert) 信号を生成します。この実装の OC-Alert 信号はアクティブ LOW です。このため、1A のスレッショルドを超えると、コンパレータの出力が LOW になります。負荷電流が 0.5A (50% 減少) に低下すると OC-Alert が論理 HIGH に戻るようにヒステリシスが実装されています。この回路は、オープン ドレイン出力のコンパレータを利用して、デジタル論理入力ピンの制御用に出力 HIGH 論理レベルをレベル シフトします。MOSFET スイッチのゲートを駆動する必要があるアプリケーションでは、プッシュプル出力のコンパレータをお勧めします。

デザイン ノート

1. ハイサイド電流センシングを可能にするため、レール ツー レールの入力同相範囲を持つコンパレータを選択します。
2. レベル シフトのため、オープン ドレイン出力段を持つコンパレータを選択します。
3. 最良の精度を得るため、入力オフセット電圧が低いコンパレータを選択します。
4. シャント抵抗の値 (R₆) は、シャント電圧 (V_SHUNT) がコンパレータのオフセット電圧 (V_IO) の少なくとも 10 倍になるよう計算します。

設計手順

1. R₆ の値を、V_SHUNT がコンパレータの入力オフセット電圧 (V_IO) の少なくとも 10 倍になるよう選択します。R₆ を非常に大きくすると、OC 検出精度は向上しますが、電源のヘッドルームが減少します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{SHUNT}}=\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{OC}}\times {\mathrm{R}}_6\right)\ge 10\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{IO}}=55\mathrm{mV}$
   $\mathrm{set}{\mathrm{R}}_6=100\mathrm{m\Omega }\mathrm{for}{\mathrm{I}}_{\mathrm{OC}}=1\mathrm{A}and{\mathrm{V}}_{\mathrm{IO}}=5.5\mathrm{mV}$
2. コンパレータの出力が HIGH から LOW に (V_L) および LOW から HIGH に (V_H) 移行する際の目標スイッチング スレッショルドを決定します。V_L は、負荷電流が OC レベルと交差するときのスレッショルド、V_H は、負荷電流が通常の動作レベルに戻るときのスレッショルドを表します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}-\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{OC}}\times {\mathrm{R}}_6\right)=10-(1\times 0.1)=9.9\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}-\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{RC}}\times {\mathrm{R}}_6\right)=10-(0.5\times 0.1)=9.95\mathrm{V}$
   
3. V_TH とラベル表示されたコンパレータ非反転入力ピンと、論理 LOW 状態 (グランド) のコンパレータの出力から、V_TH の式を導出します。ここで V_H は、コンパレータの出力が LOW から HIGH に移行するときの負荷電圧 (V_LOAD) を表します。この式を導出するための概略図では、コンパレータの出力がグランド (論理 LOW) として示されていることに注意してください。
   
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)$
4. V_TH とラベル表示されたコンパレータ非反転入力ピンと、高インピーダンス状態のコンパレータの出力から、V_TH の式を導出します。ここで V_L は、コンパレータの出力が HIGH から LOW に移行するときの負荷電圧 (V_LOAD) を表します。重ね合わせ理論を適用して V_TH を求めることを推奨します。
   
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{PU}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_1}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
5. 2 つの数式を互いに等しいと置いて変数 V_TH を消去し、R₁ を求めます。結果は次のような二次方程式になります。小さな抵抗値のほうが、大きな抵抗値よりも標準抵抗値が多く存在するため、R₂ を求めるのはそれほど重要ではありません。
   $0=\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{PU}}\right)\times {{\mathrm{R}}_1}^2+({\mathrm{V}}_{\mathrm{PU}}\times {\mathrm{R}}_2+{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}\times ({\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_2)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{R}}_2)\times {\mathrm{R}}_1+({\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}})\times ({{\mathrm{R}}_2}^2+{\mathrm{R}}_2\times {\mathrm{R}}_3)$
6. R3 と R2 の値を選択します。R₃ は R₂ よりも大幅に小さくなります (R₃ << R₂)。R₃ を増やすとコンパレータの論理 HIGH 出力レベルが V_PU を超えるため、R₃ を増やすことは避けてください。たとえば、R₃ の値を 100kΩ に増やすと、論理 HIGH 出力は 3.6V になります。この場合、R₂ = 2M、R₃ = 1kΩ を選択します。
   
   ${\mathrm{R}}_2=2\mathrm{M\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3=1\mathrm{k\Omega }$
7. V_PU、R₂、V_L、V_H、R₃ に数値を代入してから、R₁ を計算します。この設計では、V_PU = 3.3、R₂ = 2M、V_L = 9.9、V_H = 9.95、R₃ = 1kΩ です。
   $0=\left(3.3\right)\times {{\mathrm{R}}_1}^2+(6.591\mathrm{M})\times {\mathrm{R}}_1-(200.1\mathrm{G})$
   $\mathrm{the}\mathrm{positive}\mathrm{root}\mathrm{for}{\mathrm{R}}_1=29.9\mathrm{k\Omega }$
   $\mathrm{using}\mathrm{standard}1\%\mathrm{resistor}\mathrm{values},{\mathrm{R}}_1=30.1\mathrm{k\Omega }$
8. 設定手順 3 で導出した式を使用して、V_TH を計算します。R₁ について計算した値を使用します。V_PU は V_L よりも低いため、V_TH は V_L よりも低いことに注意してください。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)=9.802\mathrm{V}$
9. V_TH とラベル表示された反転端子に関して、R₄、R₅、V_S による V_TH の式を導出します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_4+{\mathrm{R}}_5}\right)$
10. R₅ = 1M、V_S = 10 の数値、および V_TH の計算値を代入してから、R₄ を計算します。
    ${\mathrm{R}}_4=\left(\frac{{\mathrm{R}}_5\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{S}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}})}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}\right)=20.15\mathrm{k\Omega }$
    $\mathrm{using}\mathrm{standard}1\%\mathrm{resistor}\mathrm{values},{\mathrm{R}}_4=20.5\mathrm{k\Omega }$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

過渡シミュレーション結果

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツの総合的な回路ライブラリについては、『アナログ エンジニア向け回路クックブック』を参照してください。

回路 SPICE シミュレーション ファイル SLOM456 を参照してください。

設計で使用されているコンパレータ

設計の代替コンパレータ