はじめに

電流を検出するときは、産業用 3 相サーボ モーター システム、電気自動車用バッテリ管理システム、太陽光発電インバータのいずれにおいても、多くの場合は安全のために何らかの絶縁方式を実装することが必要になります。安全関連の各種規格では、特定の設計に関連する最終機器についての具体的な絶縁要件が定義されています。機器の種類、使用する電圧レベル、機器を設置する環境に応じて、どのレベルの絶縁 (基本絶縁、補助絶縁、強化絶縁) が必要かを判断する際には、さまざまな要因を考慮しなければなりません。

テキサス・インスツルメンツでは、前述の用途で電圧および電流のシャント検出に使用できる、基本絶縁または強化絶縁の要件を満たすさまざまな絶縁型電流シャント アンプを提供しています。強化絶縁を必要とする用途向けのデバイスの 1 つが AMC1301 です。AMC1301 の出力は 1.44V の同相電圧を中心とする完全差動信号であり、図 1 に示すようにスタンドアロンの A/D コンバータ (ADC) に直接供給するか、MSP430 および C2000 ファミリのマイクロコントローラ デバイスに搭載されたオンボード ADC に直接供給できます。

組み込みの ADC

MSP430 および C2000 ファミリのプロセッサには、いずれもシングルエンド入力 ADC が組み込まれています。この場合、差動信号をシングルエンド データ コンバータに取り込むにはどうすればよいでしょうか。

これを実現する最も簡単な方法は、AMC1301 の出力を 1 つだけ使用し、2 つ目の出力をフローティングにすることです。この設計の欠点は、データ コンバータで出力電圧スイングを半分しか利用できず、測定のダイナミック レンジが減少することです。AMC1301 のアナログ入力範囲は ±250mV です。図 2 に示すように、8.2 の固定ゲインでは、VOUTN と VOUTP の電圧は 1.44V の同相出力を中心に ±1.025V になります。差動では、出力電圧は ±2.05V です。

図 3 に示すように、差動からシングルエンドへのアンプの出力段を追加すると、AMC1301 の全出力範囲を ADC に供給できます。

VIN に ±250mV のフルスケールの正弦波が印加されていると仮定すると、AMC1301 の内部ゲインは、180° の位相差がある VOUTP と VOUTN のポイントで 2.05Vpk-pk の出力を供給します。これらの信号の差 VODIF は 4.1Vpk-pk です。R1 = R4、R2 = R3 の場合、出力段の伝達関数は 式 1 のようになります。

式 1 の R1～R4 の抵抗値が同じで、VCM を 2.5V に設定した場合、式 2 のように小さくなります。

図 4 のグラフは、AMC1301 の入力電圧と出力電圧、および最終的な差動からシングルエンドへの出力段の出力電圧を示しています。±2.05V の差動電圧が 0.5～4.5V のシングルエンド信号に置き換わっています。

ADC の入力電圧範囲に応じて、差動からシングルエンドへの段にゲインまたは減衰を組み込んで出力スイングを調整できます。出力同相電圧を ADC に必要な入力に合わせて調整することもできます。

設計例

MSP430 デバイスに搭載された ADC12 で内部電圧リファレンスを使用するときの入力電圧範囲は 0～2.5V です。AMC1301 の VOUTP を使用すると、0.415V～2.465V の範囲の入力信号を ADC12 に供給できます。これはコンバータの入力範囲内であり、AMC1301 の入力範囲の半分のみを使用します。図 5 に示すように、ゲインが 0.5、同相電圧が 1.25V の差動からシングルエンドへのアンプ構成を使用すると、AMC1301 の全電圧範囲を ADC12 に印加できます。

その他の推奨デバイス

AMC1100 と AMC1200 は、AMC1301 と同等の性能の基本絶縁を低価格で提供します。TLV170 は、バイポーラ出力を必要とする用途に使用できます。

まとめ

AMC1301 のシングル出力を使用してシングルエンド ADC を駆動することもできますが、出力に差動からシングルエンドへのオペアンプ段に追加することで、対象の用途でのダイナミック レンジを最大限に広げることができます。

関連資料

1. 三相システムでの低ドリフト ローサイド電流測定
2. 高電圧の電源レールにおける高精度の電流測定