設計の説明

この絶縁型単一電源の双方向電流センシング回路は、-50A～50A の負荷電流を正確に測定できます。リニアな入力範囲は -50mV～50mV で、差動出力スイングは -2.05V～2.05V、出力同相電圧 (V_CM) は 1.44V です。絶縁型アンプ回路のゲインは 41V/V に固定されています。TLV9002 を使用する 2 番目のアンプ段は、差動出力電圧を 55mV～4.945V のシングルエンド出力電圧に変換します。信号チェーン全体が 5.0V 単一レールで動作します。

この回路は、ソーラー インバータ、モーター ドライブ、保護リレーなど、多くの高電圧産業用アプリケーションに適用できます。本書の「部品選定」の式と説明は、最終機器のニーズとシステム仕様に応じてカスタマイズできます。

デザイン ノート

1. AMC3302 が選択されたのは、精度、入力電圧範囲、デバイスのシングル ローサイド電力要件が理由です。
2. TLV9002 が選択されたのは、低コスト、低オフセット、小型、デュアル チャネルが理由です。
3. TLV9002 と AMC3302 に電力を供給し、シングルエンド出力の同相電圧を供給する AVDD には、低インピーダンス、低ノイズのソースを選択します。
4. 最高の精度を求める場合は、温度係数の小さい高精度シャント抵抗を使用してください。
5. 予測されるピーク入力電流レベルに対応する電流シャントを選択します。
6. 連続動作の場合は、IEEE 規格に従った通常の条件下において、定格電流の 2/3 を超える電流でシャント抵抗を動作させないでください。消費電力の要件が厳しいアプリケーションでは、シャント抵抗をさらに小さくするか、定格ワット数を増やす必要があるかもしれません。
7. 適切な分圧抵抗値を使用して、同相電圧を適切に設定してください。
8. シングルエンド出力が適切な出力スイングになるように、TLV9002 のチャネル 2 のゲイン設定抵抗に適切な値を選択します。

設計手順

1. 入力電流範囲と絶縁型アンプの固定ゲインが指定されたら、伝達方程式を決定してください。
   $V_{OUT}=I_{in}\times R_{shunt}\times 41$
2. 最大シャント抵抗値を決定します。
   $R_{shunt}=\frac{V_{inMax}}{I_{inMax}}=\frac{50 mV}{50 A}=1 m\mathrm{\Omega }$
3. シャント抵抗の最小消費電力を決定します。
   ${Power R}_{shunt}={I_{inMax}}^2\times R_{shunt}=2500 A\times 0.001 \mathrm{\Omega }=2.5\mathrm{ }\mathrm{W}$
4. 5V ADC と接続する場合、AMC3302 と TLV9002 は両方が 5V で動作するため、単一電源を使用できます。
5. TLV9002 のチャネル 1 を使用して、チャネル 2 のシングルエンド出力の同相電圧 2.5V を設定します。5V 電源の場合、単純な分圧抵抗を使用して 5V を 2.5V に分圧できます。R₄ に 1kΩ を使用して、次の式で R₃ を計算できます。
   $R_3=\frac{V_{DD}\times R_4}{V_{CM}}-R_4=\frac{5 V\times 1000 \mathrm{\Omega }}{2.5 V}-1000 \mathrm{\Omega }=1000 \mathrm{\Omega }$
6. TLV9002 はレール ツー レール オペアンプです。ただし、TLV9002 の出力は、電源レールから最大 55mV スイングします。このため、シングルエンド出力は 55mV～4.945V (4.89Vpk-pk) の範囲でスイングする必要があります。
7. AMC3302 の V_OUTP 出力と V_OUTN 出力は 2.05Vpk-pk で、180 度の位相差があり、同相電圧は 1.44V であるため、差動出力は ±2.05V または 4.1Vpk-pk となります。TLV9002 の出力制限内に収めるには、AMC3302 の出力を 4.89 / 4.1 の倍率で増幅する必要があります。R₆ = R₇、R₅ = R₈ の場合、R₅ と R₈ の計算には次の伝達関数を使用できます。
   $V_{OUT}=\left(V_{OUTP}-V_{OUTN}\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{R_{\mathrm{6,7}}}\right)+V_{CM}$
8. 先に計算した TLV9002 出力スイングを使用し、R₆ と R₇ を 10kΩ とすると、R₅ と R₈ は次の式で 11.93kΩ と計算できます。標準的な抵抗値を考慮し、代わりに 11.8kΩ の抵抗を使用してください。
   $4.945=\left(2.465 V-415 mV\right)\times \left(\frac{R_{\mathrm{5,8}}}{10 k\Omega }\right)+2.5$

DC 伝達特性

以下のグラフでは、TLV9002 アンプのシングルエンド出力と AMC3302 差動出力の DC 特性のシミュレーションを示しています。どちらのグラフも、出力が ±50A でリニア (直線的) であることを示しています。

閉ループの AC シミュレーション結果

以下の AC スイープは、シングルエンド出力の AC 伝達特性を示しています。AMC3302 のゲインは 41V/V で、差動からシングルエンドへの変換では 1.2V/V のゲインが適用されるため、以下に示す 33.83dB のゲインが予想されます。

過渡シミュレーション結果

以下の過渡シミュレーションは、AMC3302 と TLV9002 の出力信号を -50A～50A まで示しています。AMC3302 の差動出力は予測どおり ±2.05Vpk-pk で、シングルエンド出力は 4.89Vpk-pk、55mV～4.945V の範囲でスイングしています。

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。

テキサス・インスツルメンツ、『差動出力 (絶縁型) アンプからシングルエンド入力 ADC への接続』アプリケーション ブリーフ

設計に使用されている絶縁型アンプ

差動からシングルエンドへのアンプの設計

代替絶縁型アンプの設計

差動からシングルエンドへの代替アンプの設計