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、構成可能な統合型シグナル 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、ローサイド双方向電流センシング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、ローサイド、双方向電流センシング方法は、-1A～1A の負荷電流を正確に検出できます。出力のリニアな動作範囲は 100mV ～ 3.2V です。ローサイド電流センシングにより、同相電圧がグランド近くに維持されるため、バス電圧の高いアプリケーションで最も有用です。このデザインは、MSP430FR2355 マイコン内にある 4 個の統合型オペアンプ ブロック (SAC) のうち 2 個を活用します。SAC_L3 ペリフェラルの 1 つは、シャント抵抗の両端間の電圧を増幅する汎用オペアンプとして構成済み、もう 1 つはバイアス電圧 (Vref) を供給するバッファとして構成済みです。後者の SAC_L3 ブロックは、Vref を供給するように DAC バッファ モードに構成することもでき、その場合は外部の電圧デバイダを置き換えることになります。この回路の出力を、MSP430FR2355 マイコン内の他の統合型ペリフェラルに内部または外部で接続することができます。たとえば、A/D コンバータ (ADC) ウィンドウ コンパレータは (CPU を経由せずに) この出力を定期的にサンプリングし、信号がスレッショルドをまたいで範囲外になったときに割り込みをトリガすることができます。

デザイン ノート

• 誤差を最小化するため、R₃ = R₁ かつ R₄ = R₂ に設定します。
• 高い精度を実現するため、高精度の抵抗を使用します。
• リニア出力スイングに基づいて出力範囲を設定します (A_ol の仕様を参照)。
• ローサイド センシングは、システムの負荷が小さなグランド外乱に耐えられないようなアプリケーションや、負荷の短絡を検出する必要があるアプリケーションでは使用しないでください。
• 上記の回路図では、MSP430FR2355 マイコンの最初の SAC_L3 ペリフェラル (U1) を汎用モードに構成しています。2 番目の SAC_L3 ペリフェラル (U2) も汎用モードに構成されていますが、外部分圧器を使用します。
• Vref の供給には、外部分圧器回路を使用する代わりに、U2 の DAC バッファ構成 (ローサイド双方向電流センシングの設計ファイルのサンプル コードを参照) を使用します。
• このオプションは、MSP430FR2311 デバイスを使用して実装することもできます。この場合、U1 に内部トランスインピーダンス アンプを使用し、U2 に SAC_L1 オペアンプを使用します。
• ローサイド双方向電流センシング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. R₄ = R₂、R₁ = R₃ のときの伝達方程式を求めます。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}=\left({\mathrm{I}}_{\mathrm{i}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}\times \frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}\right)+{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}\times \left(\frac{{\mathrm{R}}_6}{{\mathrm{R}}_5+{\mathrm{R}}_6}\right)$
2. 最大シャント抵抗を決定します。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{shunt}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{imax}}}=\frac{100\mathrm{mV}}{1 \mathrm{A}}=100\mathrm{m\Omega }$
3. 基準電圧を設定します。入力電流範囲は対称形なため、基準電圧は電源電圧の 1/2 に設定します。このため、R₅ と R₆ は同じ値にします。
   ${\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_6=10\mathrm{k\Omega }$
4. オペアンプの出力スイングに基づいて、差動アンプのゲインを設定します。オペアンプの出力は、電源が 3.3V の場合 100mV～3.2V までスイングできます。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{shunt}}\times \left({\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}\right)}=\frac{3.2\mathrm{V}-100\mathrm{mV}}{100\mathrm{m\Omega }\times \left(1 \mathrm{A}-\left(-1 \mathrm{A}\right)\right)}=15.5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{R}}_4}{{\mathrm{R}}_3}=15.5\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

閉ループの AC シミュレーション結果

過渡シミュレーション結果

ターゲット アプリケーション

• モーター ドライブ
• サーボ ドライブ機能安全モジュール
• 電池充電
• 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)

設計の参照資料

1. テキサス・インスツルメンツ、MSP430 ローサイド双方向電流センシング回路、サンプル コードと SPICE シミュレーション ファイル
2. テキサス・インスツルメンツ、3.75KB FRAM、オペアンプ、TIA、コンパレータと DAC、10 ビット ADC 搭載、16MHz アナログ統合マイコン、製品ページ
3. テキサス・インスツルメンツ、『MSP430 MCU 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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