設計目標

設計の説明

一部の MSP430™ マイコン (MCU) は、オペアンプ、DAC、プログラマブル ゲイン段など、構成可能な統合型信号チェーン要素を内蔵しています。これらの要素は、スマート アナログ コンボ (SAC) というペリフェラルを形成しています。さまざまな種類の SAC の詳細や、構成可能アナログ シグナル チェーン機能を活用する方法については、『MSP430 マイコンのスマート アナログ コンボ トレーニング』をご覧ください。設計を開始するには、ハイサイド電流センシング回路の設計ファイルをダウンロードしてください。

この単一電源、ハイサイド、低コストの電流センシング オプションは、25mA～300mA の負荷電流を検出し、0.25V～3V の出力電圧に変換します。ハイサイドのセンシングにより、システムはグランドへの短絡を識別でき、負荷にグランド外乱は発生しません。この回路は、MSP430FR2311 SAC_L1 オペアンプを汎用 (GP) モードで使用し、OAx+ と OAx- を非反転および反転の入力専用にします。MSP430FR2355 を使用して、同じアプローチを実装することもできます。このマイコンは、4 個の SAC_L3 ペリフェラルを搭載しているほか、追加の DAC と PGA 機能を内蔵しています。この内蔵 SAC オペアンプの出力を、オンボード ADC を使用して直接サンプリングすること、またはオンボード コンパレータを使用して監視したうえでマイコン内部でさらに処理を進めることもできます。

デザイン ノート

• DC 同相除去率 (CMRR) 性能は、ゲイン設定抵抗 R₂～R₅ のマッチングに依存します。
• シャント抵抗を増やすと、消費電力も増加します。
• 同相電圧がアンプの線形入力動作領域内であることを確認します。同相電圧は、R₂、R₃、およびバス電圧で構成される抵抗分圧器で設定します。このアプリケーションでは、抵抗分圧器で決定される同相電圧によっては、レール ツー レール入力 (RRI) アンプが必要でない場合もあります。
• 低ゲインまたは減衰構成では、同相電圧範囲が V_cc に達しないオペアンプを使用できます。
• 帰還抵抗と並列にコンデンサを配置することで、帯域幅が制限され、安定性が向上し、ノイズが低減されます。
• オペアンプは線形出力動作領域で使用します。線形出力スイングは通常、A_OL テスト条件に規定されています。
• MSP430FR2311 SAC_L1 または MSP430FR2355 SAC_L3 を使用してプロセスを実装する場合は、オペアンプを汎用モードに構成する必要があります。
• MSP430FR2311 TIA を使用してプロセスを実装する場合は、入力電圧範囲は V_CC/ 2 に制限されるため、それに応じてゲインまたは範囲を調整する必要があります。
• ハイサイド電流センシング回路の設計ファイルには、SAC ペリフェラルを適切に初期化する方法を示すサンプル コードが付属しています。

設計手順

1. この回路の完全な伝達関数は次のとおりです。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{in}}\times {\mathrm{R}}_1\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_4} \\ \mathrm{Given} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4 \mathrm{and} {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5 \end{gathered}$$
2. 最大シャント抵抗を計算します。シャントの両端の最大電圧を 60mV に設定します。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{60\mathrm{mV}}{300\mathrm{mA}}=200\mathrm{m}\mathrm{\Omega }$
3. 最大出力スイング範囲を設定するため、ゲインを計算します。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{(\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}})\times {\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{3}\mathrm{V}-\text{0.25}\mathrm{V}}{(0.3\mathrm{A}-\text{0.025}\mathrm{A})\times \text{200}\mathrm{m}\mathrm{\Omega }}=50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 手順 3 で計算したゲインを設定するため、ゲイン設定抵抗の値を計算します。
   $$\begin{gathered} \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4=1.01\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \\ {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_2\times \mathrm{Gain}=1.01\mathrm{k}\Omega \times 50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=50.5\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
5. アンプの同相電圧を計算して線形動作を確認します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{CC}}\times \frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}=3.3\mathrm{V}\times \frac{\text{50.5}\mathrm{k}}{\text{1.01}\mathrm{k}+\text{50.5}\mathrm{k}}=3.235\mathrm{V}$
6. 高域カットオフ周波数 (f_H) は、回路の非反転ゲイン (ノイズ ゲイン) と、オペアンプのゲイン帯域幅 (GBW) により設定されます。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}=\frac{\text{GBW }}{\text{Noise Gain}}=\frac{4\mathrm{MHz}}{51\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=78.43 \mathrm{kHz}$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

AC シミュレーション結果

ターゲット アプリケーション

• バッテリ パック：コードレス電動工具
• HEV/EV のバッテリ管理システム (BMS)
• モーター ドライブ
• 照明器具
• エネルギー インフラ

参考資料

1. テキサス・インスツルメンツ、ハイサイド電流センシング回路、設計ファイル
2. テキサス・インスツルメンツ、MSP430FR2311 TINA-TI SPICE モデル、ファイル ダウンロード
3. テキサス・インスツルメンツ、『MSP430 マイコンのスマート アナログ コンボ』、トレーニングビデオ

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

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