設計目標

設計の説明

この高速なローサイド過電流検出ソリューションは、1 つのゼロ ドリフト高速セトリング アンプ (OPA388) と、1 つの高速コンパレータ (TLV3201) によって実装されています。この回路は、高速の電流信号および過電流イベントを監視するアプリケーション、たとえばモータや電源ユニットでの電流検出用に設計されています。

帯域幅が広く、オフセットが非常に小さく、スルーレートが高速なことから、OPA388 が選択されています。伝播遅延が 40ns、立ち上がり時間が 4.8ns と短く、応答が高速なことから、TLV3201 が選択されています。これにより、コンパレータは過渡応答時間の要件内で、過電流イベントに対して迅速に応答し、システムに警告できます。また、プッシュプル出力段により、コンパレータはマイクロコントローラの論理レベルと直接接続可能です。さらに、TLV3201 は消費電力が小さく、静止電流が 40µA です。

ローサイドの電流検出には一般に、検出抵抗の両端に接続するアンプを非反転構成で使用できます。ただし、ここに示すアプリケーション回路は、検出抵抗の両端で OPA388 を差動アンプとして使用しています。これにより、シャント抵抗の両端で真の差動測定が行えるため、電源グランドと負荷グランドが同一とは限らない場合に有利です。

デザイン ノート

1. 誤差を最小化するため、高精度の抵抗を選択し、R₁ = R₃、R₂ = R₄ に設定します。
2. R_SENSE は、最大電流 (1A) 時の抵抗の両端の電圧降下が最小限になるように選択します。
3. OPA388 のオフセットは非常に小さい (0.25µV) ため、R_SENSE での mV 範囲の測定に対して、アンプのオフセット誤差の影響は最小限です。
4. アンプのゲインは、システムが致命的過電流値の 1A に達したとき、COMP_IN が 2V になるよう選択します。
5. アプリケーション回路を簡素化するため、従来のようなバイパス コンデンサは省略されています。

設計手順

1. R₁ = R₃、R₂ = R₄ のときの伝達方程式を求めます。
   $COMP\_IN=\left(R_{SENSE}\times I_{LOAD}\right)\times \left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right)\times \left(1+\frac{R_4}{R_3}\right)$
2. 抵抗の両端での電圧降下を最小限にするため、負荷電流 1A において最大電圧降下が 10mV と仮定して、SENSE 抵抗の値を選択します。
   $R_{SENSE}=\frac{V_{SENSE}\left(max\right)}{I_{LOAD}\left(critical\right)}=\frac{10mV}{1A}=10m\mathrm{\Omega }$
3. 負荷電流が致命的スレッショルドの 1A に達したとき、COMP_IN が 2V になるよう、アンプのゲインを選択します。
   $Gain=\frac{VREF}{R_{SENSE}\times I_{LOAD}\left(critical\right)}=\frac{2V}{0.01V}=\frac{R_2}{R_1+R_2}\times 1+\frac{R_4}{R_3}=200$

   次のように設定します。

   $R_1=R_3=1k\mathrm{\Omega }$
   $R_2=R_4=200k\mathrm{\Omega }$
4. 次の AC シミュレーション結果を検証するため、アンプのトランスインピーダンス ゲインを計算します。
   $\frac{V_{OUT}}{I_{LOAD}}=10m\mathrm{\Omega }\times 200=2$
   $V_{OUT}=I_{LOAD}\times 10m\mathrm{\Omega }\times 200$

設計シミュレーション

COMP_IN のトランスインピーダンス AC シミュレーション結果

過渡応答シミュレーション結果

参考資料

1. テキサス・インスツルメンツ、『ポータブル アプリケーションのバッテリ電圧および電流監視にナノパワー、ゼロ ドリフト アンプを使用する利点』、アプリケーション ノート
2. テキサス・インスツルメンツ、『中立状態のないライト スイッチでの電流センシング』、テクノロジー ブリーフ
3. テキサス・インスツルメンツ、『リチウムイオン バッテリで動作するパーソナル エレクトロニクスの GPIO ピン パワー シグナル チェーン』、アプリケーション ブリーフ

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

設計に使用されているオペアンプ

設計の代替オペアンプ