設計手順

1. コンパレータのスレッショルド電圧を決定するには、まず目的の電流スレッショルドに対応する INA240A1 の出力電圧を計算します。計算は、INA240 のゲイン (A1、A2、A3、A4 がそれぞれ 20、50、100、200)、入力電流 (IG1) とセンス抵抗 (R8)、入力電流が 0 (VREF) のときの基準電圧によって異なります。INA240 データシートのセクション 8.3.2 に従って、R8 は差動入力電圧と INA240 への最大入力電流の関数です。このシステムの入力電流が 100A を超えるスイングを前提とすると、R8 を小さく保つことで、R8 での消費電力が減少します。
   $\mathrm{INA\_OUT}=\mathrm{VREF}+\mathrm{G}\times \left(\mathrm{INP}-\mathrm{INN}\right)$
   $\mathrm{INP}-\mathrm{INN}=\mathrm{IG}1\times \mathrm{R}8$
   $\mathrm{VREF}=\frac{\left(\mathrm{V}+\right)-0}{2}=\frac{3.3\mathrm{V}}{2}=1.65\mathrm{V}$

   
   これらの式と目的とする電流スレッショルドを使用して、次の表が生成されます。

   説明		IG1	INA-OUT
   VH、CHB	順方向の過電流スレッショルド	100A	1.65V + 20 × (100A × 0.33mΩ) = 2.31V
   VL、CHB	順方向の回復スレッショルド	90A	1.65V + 20 × (90A × 0.33mΩ) = 2.244V
   VH、CHA	逆方向の過電流スレッショルド	-35A	1.65V + 20 × (-35A × 0.33mΩ) = 1.419V
   VL、CHA	逆方向の回復スレッショルド	-31.5A	1.65V + 20 × (-31.5A × 0.33mΩ) = 1.4421V

   最初に、反転コンパレータ構成の上側コンパレータ (チャネル A) に注目します。このコンパレータは、逆方向の電流が -35A を超えると論理 High にスイングし、逆方向の電流が -31.5A に回復すると論理 Low に戻ります。これらの電流レベルは、それぞれ 1.419V と 1.4421V の電圧レベルに対応します。

2. R2 の値 (分圧抵抗の下側抵抗) を仮定します。この例では、10kΩ を選択しています。
3. INNA = V_L のときと INNA = V_H のときは回路を分析し、V+、V_L、V_H、R₂、R₃ の観点から R1 の 2 つの式を導出します。
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}-1\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\mathrm{R}}_2}}-{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\mathrm{R}}_3}}}$
4. 2 つの式を互いに等しいと置いて、R₃ を求めます。
   $\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right){{\mathrm{R}}_3}^2+\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}}{{\displaystyle \frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}}}+{\mathrm{V}}_{+}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right){\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3=0$
   $\left(\frac{3.3-1.4421}{{\displaystyle \frac{3.3}{1.419}}}-1.4421\right){{\mathrm{R}}_3}^2+\left(\frac{3.3-1.4421}{{\displaystyle \frac{3.3}{1.419}}}+3.3-1.4421\right)\left(10\mathrm{k}\right){\mathrm{R}}_3=0$
   ${\mathrm{R}}_3=0, {\mathrm{R}}_3=804.29\mathrm{k\Omega }$

   この値に最も近い標準 1% 抵抗値は 806kΩ です。

5. 3 で導出された 2 つの式のいずれかを使用して、R₁ を求めます。
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{+}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}}-1\right)\left(\frac{{\mathrm{R}}_2{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=\left(\frac{3.3}{1.419}-1\right)\left(\frac{\left(10 \mathrm{k\Omega }\right)\left(806 \mathrm{k\Omega }\right)}{10 \mathrm{k\Omega }+806 \mathrm{k\Omega }}\right)$
   ${\mathrm{R}}_1=13.093\mathrm{k\Omega }$

   この値に最も近い標準 1% 抵抗値は 13kΩ です。

   次のステップは、非反転構成の下側コンパレータ (チャネル B) に注目することです。このコンパレータは、順方向の電流が 100A を超えると論理 High にスイングし、順方向の電流が 90A に回復すると論理 Low に戻ります。これらの電流レベルは、それぞれ 2.31V と 2.244V の電圧レベルに対応します。

   

   コンパレータ回路によるハイサイド電流センシングは、コンパレータ出力が論理 Low 状態で高インピーダンス状態のときの V_TH (非反転ピンの電圧) の 2 つの式を導出します (SBOA306 はオープン ドレインのコンパレータを使用します)。次にこれらの式を互いに等しいと置いて、R6 を解く二次方程式を作ります。TLV3202 はプッシュプル デバイスなので、出力は高インピーダンス状態ではなくロジック High 状態になります。したがって、プルアップ抵抗値は 0、V_PU は V₊ です

6. この回路に合わせて、次のように二次式を書き換えます。
   
   $0={\mathrm{V}}_{+}\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left({\mathrm{V}}_{+}\times {\mathrm{R}}_7+{\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}\times \left({\mathrm{R}}_7\right)-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{R}}_7\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{L}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\right)\times \left({{\mathrm{R}}_7}^2\right)$
   $0=3.3\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left(3.3\times {\mathrm{R}}_7+2.244\times \left({\mathrm{R}}_7\right)-2.31\times {\mathrm{R}}_7\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left(2.244-2.31\right)\times \left({{\mathrm{R}}_7}^2\right)$
7. R₇ の値を選択します。この抵抗は、コンパレータの負荷電流を決定するため、大きくなります。この回路では、R₇ に 200kΩ と想定しています。
   $0=3.3\times {{\mathrm{R}}_6}^2+\left(3.3\times 200\mathrm{k}+2.244\times \left(200\mathrm{k}\right)-2.31\times 200\mathrm{k}\right)\times {\mathrm{R}}_6+\left(2.244-2.31\right)\times {\left(200\mathrm{k}\right)}^2$
   ${\mathrm{R}}_6=4.47\mathrm{k\Omega }$

   この値に最も近い標準 1% 抵抗値は 4.42kΩ です。

8. R₆ を使用して V_TH を計算します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_7}{{\mathrm{R}}_6+{\mathrm{R}}_7}\right)=2.31\times \frac{200\mathrm{k}}{4.42\mathrm{k}+200\mathrm{k}}=2.26\mathrm{V}$
9. R₅ の値を選択します。この場合、R₅ に 10kΩ を選択します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{H}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_2}\right)=9.802\mathrm{V}$
10. R₄ を求めます。
    ${\mathrm{R}}_4=\frac{{\mathrm{R}}_5\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{s}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}})}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}=\frac{10\mathrm{k}\times (3.3-2.6)}{2.26}= 4.602 \mathrm{k\Omega }$

    この値に最も近い標準 1% 抵抗値は 4.64kΩ です。