設計目標

設計の説明

サーキット ブレーカなどの一部のアプリケーションには、小さい公称電流を測定すると同時に、高い短絡電流に耐性のある回路が必要です。この回路設計資料では、±10mA〜±10A の公称負荷電流を正確に測定でき、最大 ±200A の短絡電流に耐性のある絶縁型電流センシング回路について説明します。この回路の出力は、MSP430 に統合されているような 3.3V のシングルエンド ADC で使用されることを想定しています。測定対象のライン電流と ADC との絶縁には、絶縁アンプ (AMC1302) を使用します。1mΩ シャント抵抗を使用すると、予測される最小公称電流から ±10μV の信号が生成されます。デルタ シグマ変調器にはデッド ゾーンがあるため、この信号はゼロ付近の電圧入力を正しく解決するには小さすぎます。この問題を解決するため、この回路は 2 チャネルのオペアンプ (TLV9002) を使用して、信号を 5V/V のゲインで増幅し、同相電圧を 1V に設定します。これにより、最小公称電流がデッドゾーン外になるだけでなく、最大公称電流が上昇して絶縁アンプのフルスケールの線形入力範囲に一致するようになります。絶縁アンプのフルスケールの線形入力範囲は ±50mV で、差動出力スイングは ±2.05V、出力同相電圧は 1.44V、固定内部ゲインは 41V/V です。絶縁型アンプの出力側では、2 番目の 2 チャネル オペアンプ (TLV9002) を使用します。最初のチャネルはシングルエンドの同相電圧を 1.65V に設定し、2 番目のチャネルは絶縁アンプからの差動出力信号を 3.3V のシングルエンド ADC で使用可能なシングルエンド信号に変換します。

設計手順

1. 公称電流の最大値に基づいて、適切なシャント抵抗値を決定します。
   $R_{SHUNT} = \frac{V_{inMax}}{I_{inMax}} = \frac{50mV}{10A} = 5 m\Omega$
2. このシャント抵抗は 200A の短絡電流に耐えられることが必要であるため、シャント抵抗の値をさらに 1/5 に低減できます。これは手順 6 で補償されます。最大公称電流動作時のシャント抵抗の消費電力を決定します。
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMax}}^2 \times R_{SHUNT} = 100 A^2 \times 1 m\Omega = 0.1 W$

   最小公称電流動作時のシャント抵抗の消費電力を決定します。

   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inMin}}^2 \times R_{SHUNT} = 0.1 {mA}^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 0.1 \mu W$
3. 短絡時のシャント抵抗の消費電力を決定します。選択した短期過負荷仕様 (通常は公称値の 5 倍) が、短絡による消費電力に耐えられることを確認してください。
   ${Power R}_{SHUNT} = {I_{inShort}}^2 \times R_{SHUNT} = \mathrm{40,000} A^2 \times 1 m\mathrm{\Omega } = 40 W$

   消費電力を 1/5 に低減したシャント抵抗を選択します。短期過負荷要件が 40W の場合、シャント P_dissipation は 8W です。詳細については、『絶縁型電流センシングの設計上の考慮事項』アナログ設計ジャーナルを参照してください。

4. TLV9002_IN のチャネル 1 を使用して、TLV9002_IN のチャネル 2 のシングルエンド出力の同相電圧 2.5V を設定します。チャネル 1 の 1V 出力も、AMC1302 の正入力に供給されます。5V 電源の場合、単純な分圧抵抗を使用して 5V を 1V に分圧できます。R₁ に 4kΩ を使用すると、R₂ は次の式で計算できます。
   $R_2 = \frac{V_{CM} \times R_1}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.00 V \times 4000 \mathrm{\Omega }}{5.00 V - 1.00 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
5. TLV9002_IN のチャネル 2 を使用してシャント抵抗からの電圧を増幅し、最大公称電流範囲を測定する際に AMC1302 のフルスケール入力電圧範囲が使用されるようにします。シャント抵抗が 1mΩ で、最大公称電流が ±10A の場合、シャント抵抗からの出力電圧は ±10mV です。AMC1302 の最大入力電圧は ±50mV なので、シャント抵抗の出力を 5V/V で増幅する必要があります。R3|R4 を 1kΩ に維持した場合、R5|R6 の抵抗値は次の式で計算できます。
   $Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right)=\frac{R_{\mathrm{5,6}}}{R_{\mathrm{3,4}}} ;{ R}_{\mathrm{5,6}}=Gain \left(\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right.\right) \times R_{\mathrm{3,4}}=5 \raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. \times 1 k\mathrm{\Omega }=5 k\mathrm{\Omega }$
6. 選択したシャント抵抗に基づいて、短絡時に AMC1302 の入力の絶対最大電圧制限に違反しないことを確認します。短絡電流が 200A の場合、AMC1302 には 1V の差動電圧が印加されます。入力同相モードは 1V に設定されているため、AMC1302 の負の入力には、 GND1 を基準として最大 2V が印加されます。
   $V_{inAMC} = 200 A \times 0.001 \mathrm{\Omega }\mathrm{ }\times \mathrm{ }5\mathrm{ }\raisebox{1ex}{$V$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$V$}\right. = 1 V$

   AMC1302 の絶対最大入力電圧は、ハイサイド電源電圧より 500mV 高くなります (『AMC1302 高精度、±50mV 入力、強化絶縁型アンプ』データシートに記載)。5V のハイサイド電源電圧では、入力電圧の絶対最大定格に違反しません。

7. TLV9002_OUT のチャネル 1 を使用して、TLV9002_OUT のチャネル 2 のシングルエンド出力の同相電圧 1.65V を設定します。3.3V 電源の場合、単純な分圧抵抗を使用して 3.3V を 1.65V に分圧できます。R₇ に 1 kΩ を使用すると、R₈ は次の式で計算できます。
   $R_8 = \frac{V_{CM} \times R_7}{V_{DD} - V_{CM}} = \frac{1.65 V \times 1000 \mathrm{\Omega }}{3.3 V - 1.65 V} = 1000 \mathrm{\Omega }$
8. TLV9002 はレール ツー レールのオペアンプですが、TLV9002 の出力は電源レールから 55mV までしかスイングできません。このため、 TLV9002_OUT のシングルエンド出力は 55mV〜3.245V (3.19V_pk-pk) までスイングできます。
9. AMC1302 の V_OUTP および V_OUTN 出力は 2.05V_pk-pk で、180 度の位相差があり、同相電圧は 1.44V です。したがって、差動出力は ±2.05V (4.1V_pk-pk) です。

   TLV9002_OUT の出力制限内に維持するには、AMC1302 の出力を 3.2/4.1 の係数で減衰させる必要があります。R₉ = R₁₀、R₁₁ = R₁₂ の場合、R₁₁ と R₁₂ の計算には、次に示す差動からシングルエンドへの段の伝達関数を使用できます。

   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}\mathrm{U}\mathrm{T}}=\mathrm{ }\left({\mathrm{V}}_{OUTP}-{\mathrm{V}}_{OUTN}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{9,10}}}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{C}\mathrm{M}}\mathrm{ }$
10. 前に計算した TLV9002_OUT の出力スイングを使用し、R₉ と R₁₀ を 10kΩ とすると、R₁₁ と R₁₂ は次の式で 7.8kΩ と計算できます。
    $3.2=\mathrm{ }\left(2.465\mathrm{V}-415\mathrm{m}\mathrm{V}\right)\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}}{10k\mathrm{\Omega }}\right)+1.65$

    標準の 0.1% 抵抗値を使用する場合、7.8kΩ 抵抗を使用できます。これにより、TLV9002 の制限内で最大出力スイングが得られます。

11. コンデンサ C₁ および C₂ は、抵抗 R₁₁ および R₁₂ と並列に配置して、高周波信号を制限します。R₁₁ = R₁₂、C₁ = C₂ の場合、カットオフ周波数は次の式で計算できます。
    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{11,12}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{1,2}}}$

    C₁ = C₂ = 1nF、R₁₁ = R₁₂ = 7800Ω の場合、カットオフ周波数は 20.414kHz と計算できます。

    ${\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}=\mathrm{ }\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 7800\mathrm{\Omega }\times 1\mathrm{n}\mathrm{F}}=20.414\mathrm{k}\mathrm{H}\mathrm{z}$

DC シミュレーション結果

シミュレーション結果は、シャントの両端の電圧、AMC1302 の差動入力 / 出力、TLV9002 アンプのシングルエンド出力を -10A〜10A でシミュレートした DC 特性を示します。

シミュレーション結果

短絡イベント シミュレーションは、短絡イベント発生時の回路シミュレーションの結果で、±200A 時に入出力がどのように応答するかを示します。すべてのグラフを貫く赤と青の線は、AMC1302 の出力がクリッピングを開始するポイントを示しています。回路の目的は、短絡イベントが発生した後も動作を継続することです。「設計手順」セクションでは、AMC1302 のハイサイドのゲインとシャント抵抗の値は、このイベント中の損傷を回避するように選択されています。以下のシミュレーションは、これらの選択を検証しています。短絡イベントが発生したときに AMC1302 に入力される最大入力電圧は ±1V で、部品の絶対最大定格を下回っています。したがって、シミュレーションにより、短絡イベントが発生した後も回路が動作を継続することが確認されました。

短絡イベントのシミュレーション

正弦波のシミュレーション結果

正弦波のシミュレーションは、シャントの出力、AMC1302 の差動入力と差動出力、振幅 -10A〜10A の正弦波に応答する TLV9002 のシングルエンド出力を示しています。AMC1302 の差動出力は予測どおり ±2.05V_pk-pk です。シングルエンド出力は 3.19V_pk-pk で、スイングは 55mV〜3.245V です。

正弦波シミュレーション

設計に使用されている絶縁アンプ

代替絶縁型アンプ