抵抗電流センシング：ローサイドセンシングとハイサイドセンシング

ハイサイドとローサイドの抵抗膜式電流検出の違いは何ですか？この記事では、基本と、それぞれがより適切な設計の選択である場合について説明します。

電力管理、バッテリ充電、モーター制御、過電流保護などの多くのアプリケーションは、抵抗膜方式の電流検出の恩恵を受けることができます。電流検出抵抗を負荷と直列に配置するには、ローサイドとハイサイドの2つのオプションがあります。

この記事では、これら2つの配置を見て、それらの基本的な長所と短所について説明します。

抵抗膜方式の電流検出

抵抗膜方式は、低から中程度の電流レベルを処理する場合に、プリント回路基板アセンブリで広く使用されています。この手法では、既知の抵抗R _シャント を負荷と直列に配置し、抵抗の両端に発生する電圧を測定して負荷電流を決定します。これを図1に示します。

図1

電流検出抵抗は、シャント抵抗または単にシャントとも呼ばれ、通常、ミリオームの範囲の値を持ちます。非常に大電流のアプリケーションの場合、シャント抵抗の値は、抵抗によって消費される電力を削減するために、ミリオームの何分の1かでさえある可能性があります。

抵抗値が小さい場合でも、特に大電流アプリケーションでは、シャント電力損失が問題になる可能性があることに注意してください。たとえば、R =1mΩおよびI =100 Aの場合、シャント抵抗によって消費される電力は次のようになります。

\ [P =R \ times I ^ 2 =0.001 \ times 100 ^ 2 =10 W \]

抵抗値が小さいと、抵抗両端の電圧降下も小さくなります。そのため、シャント抵抗の両端に発生する小さな電圧を、上流の回路に適した十分に大きな電圧に変換するためにアンプが必要になります。

ハイサイド電流検出では、アンプは同相信号除去比（CMRR）仕様に関して厳しい要件を持つ可能性があることを説明します。

ローサイドおよびハイサイドセンシング

負荷と直列にシャント抵抗を配置するには、2つのオプションがあります。これらの2つの配置は、ローサイドおよびハイサイドの電流検出方法と呼ばれ、図2に示されています。

図2.（a） ローサイド電流検出と（b） ハイサイド電流検出技術。

ローサイド構成では、電流検出抵抗（R _シャント ）は、電源の接地端子と負荷の接地端子の間に配置されます。ハイサイド方式では、電源のプラス端子と負荷の電源入力の間にシャント抵抗を配置します。

それぞれの方法の長所と短所を見てみましょう。

ハイサイドセンシングとローサイドセンシング：コモンモード値

R _シャントと仮定します =1mΩおよびI =100A。この大電流でも、シャント抵抗の両端の電圧降下はわずか100mVです。したがって、ローサイドシャント抵抗の両端の電圧のコモンモード値は、接地電位をわずかに上回っています。また、ハイサイド構成の場合、シャント抵抗の両端の電圧のコモンモードレベルは、負荷供給電圧に非常に近くなります。

ローサイド電流検出で使用されるアンプは小さなコモンモード電圧を処理するため、高いコモンモード除去比（CMRR）を持つ必要はありません。同相信号除去比は、増幅器の両方の入力に共通の信号に対して増幅器が示す減衰量を指定します。ローサイド電流検出構成ではコモンモード値がほぼゼロであるため、増幅器のCMRR要件が大幅に緩和され、その結果、単純な増幅器構成を使用できます。

図3は、ローサイド電流検出に使用できる基本的なアンプを示しています。

図3

この例では、アンプはオペアンプと2つのゲイン設定抵抗R1およびR2で構成されています。これは実際にはオペアンプの非反転構成であることに注意してください。このアンプのより一般的な回路図を以下に示します。

図4

V _シャントの増幅バージョンである出力 次の式で求めることができます：

\ [V_ {out} =\ left（1 + \ frac {R_2} {R_1} \ right）V_ {in} =\ left（1 + \ frac {R_2} {R_1} \ right）V_ {シャント} \]

一方、ハイサイド電流検出で使用されるアンプは、大きなコモンモード電圧を処理する必要があります。大きなコモンモード入力が出力に現れるのを防ぐために、アンプは高いCMRRを備えている必要があります。そのため、ハイサイド電流検出には特殊なアンプ構成が必要です。これらのアンプは、高いCMRRを示し、負荷供給電圧までの入力同相モード範囲をサポートする必要があります。

負荷供給電圧がアンプに使用される供給電圧よりもはるかに大きい、3相モーター制御アプリケーションなど、多くのハイサイド電流検出アプリケーションがあることは言及する価値があります。したがって、ハイサイドセンシング構成では、アンプの入力コモンモードは通常、その供給電圧よりもはるかに大きくする必要があります。これは、アンプの設計を非常に困難にする要件です。

ローサイド方式はグランドループの問題を引き起こす可能性があります

ローサイドセンシング方式はアンプの設計を簡素化しますが、いくつかの欠点があります。ローサイド電流測定では、グランドパスに追加の抵抗を配置します。したがって、監視対象回路のアースは、システムのアースよりもわずかに高い電位にあります。これは、一部のアナログ回路で問題になる可能性があります。

監視対象回路のアースはシステム内の他の負荷と同じ電位ではないため、グラウンドループの問題が発生し、ハムなどの可聴ノイズが発生したり、近くの機器との干渉が発生したりする可能性があります。この制限により、ローサイド電流検出は通常、1つの絶縁された負荷を処理するアプリケーション、または負荷がグランドノイズに敏感でないアプリケーションで使用されます。ドローン、ドリル、レシプロソーなどのアプリケーションでのコストに敏感なモーター制御は、通常、消費者市場で競争できるようにローサイドセンシングを採用しています。

ローサイド方式では障害検出を検出できません

ローサイド電流検出では検出できないさまざまな障害状態があります。図5に、監視対象回路の電源とシステムグランド間で短絡が発生した例を示します。

図5

故障電流、I _short 、バス電圧からシステムグランドに直接流れ、シャント抵抗を通過しません。したがって、電流モニター回路はこの障害状態を検出しません。ローサイド電流検出では、監視対象回路のアースとシステムアース間の短絡も検出できません（図6）。

図6

ただし、ハイサイド電流検出では、シャント抵抗の下流で発生する障害状態を検出できます。これを図7に示します。

図7

この場合、故障電流はシャント抵抗を通過します。したがって、電流測定回路は短絡状態を検出し、適切な是正措置をトリガーすることができます。

ハイサイド電流検出により配線を簡素化できます

ローサイド電流検出のもう1つの欠点は、システムのアースが使用可能な場合でも、監視対象回路に電力を供給するために2本のワイヤが必要になることです。たとえば、自動車のアプリケーションでは、車のシャーシが共通のグラウンドとして機能します。シャーシがシステムの接地レベルにあるため、負荷に電力を供給するために必要なワイヤは1本だけです。ただし、負荷を流れる電流をローサイド測定技術で監視する場合、システムアースは使用できず、負荷には2本のワイヤが必要です。ハイサイドセンシング技術は、監視対象の負荷にシステムグラウンドを使用するため、この制限の影響を受けません。そのため、ハイサイドセンシングは自動車用途に適しています。

次の記事では、図3の回路図をさらに詳しく調べます。この構造もPCBトレース抵抗の影響を受けやすく、差動増幅器を使用してより正確な測定を行うことができることがわかります。

結論

ローサイドセンシングの主な利点は、比較的単純な構成を使用して、シャント抵抗の両端の電圧を増幅できることです。ただし、ローサイド電流検出は地絡の影響を受けやすく、障害状態を検出できません。ローサイド電流検出は通常、消費者市場で競争できる必要があるコストに敏感なモーター制御アプリケーションで使用されます。

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