ローサイド vs ハイサイド抵抗式電流検出：実践的設計選択の違い

ハイサイドとローサイド抵抗式電流検出の違いとは？基本と各手法が適する場面を解説

電力管理、バッテリー充電、モーター制御、過電流保護など多くのアプリケーションで、抵抗式電流検出が役立ちます。負荷と直列に電流検出抵抗を配置するには、ローサイドとハイサイドの2つの選択肢があります。

本記事では、この2つの配置を比較し、それぞれの基本的なメリット・デメリットを議論します。

抵抗式電流検出

抵抗式電流検出は、低〜中程度の電流レベルを扱うプリント基板アセンブリで広く用いられます。この手法では、既知の抵抗R_shuntを負荷と直列に配置し、抵抗両端に生じる電圧を測定して負荷電流を求めます。これは図1で示されています。

電流検出抵抗（シャント抵抗、または単にシャント）は通常ミリオームオーダーの値を持ちます。非常に高電流アプリケーションでは、抵抗による電力損失を減らすため、シャント抵抗値がミリオームのさらに分数となることもあります。

小さな抵抗値でも、シャントの電力損失が問題になることがあります。特に高電流アプリケーションでは顕著です。例えばR=1 mΩ、I=100 Aの場合、シャント抵抗での電力損失は：

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

小さな抵抗値はシャント両端の電圧降下も小さくします。そのため、シャント両端に生じる微小電圧を上流回路で扱える十分な大きさの電圧へ変換するアンプが必要です。

ハイサイド電流検出では、アンプにコモンモード除去比（CMRR）仕様の面から厳しい要求が生じることを後で説明します。

ローサイドとハイサイド検出

負荷と直列にシャント抵抗を配置する2つの選択肢は、ローサイドとハイサイド電流検出と呼ばれ、図2に示されています。

ローサイド構成では、電流検出抵抗（R_shunt）を電源のグランド端子と負荷のグランド端子の間に配置します。ハイサイド方式では、シャント抵抗を電源の正極端子と負荷の電源入力の間に配置します。

それぞれの手法のメリット・デメリットを見ていきましょう。

ハイサイド vs ローサイド：コモンモード電圧の違い

R_shunt=1 mΩ、I=100 Aと仮定します。この大電流でも、シャント抵抗両端の電圧降下はわずか100 mVです。したがって、ローサイドシャント抵抗のコモンモード電圧はグランド電位よりわずかに高いだけです。一方、ハイサイド構成では、シャント抵抗両端のコモンモードレベルは負荷電源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扱うため、高いCMRRを必要としません。CMRRは、アンプの両入力に共通する信号に対する減衰度を指定します。ローサイド構成ではコモンモード値がほぼゼロであるため、アンプのCMRR要件は大幅に緩和され、シンプルなアンプ構成が使用可能です。

図3は、ローサイド電流検出で使用できる基本アンプを示します。

この例では、アンプはオペアンプとゲイン設定抵抗R1、R2で構成されます。これは実際にはオペアンプの非反転増幅構成です。より馴染みのある回路図を以下に示します。

出力はV_shuntの増幅版で、以下の式で求められます。

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

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扱う必要があります。大きなコモンモード入力が出力に現れないよう、アンプは高いCMRRを持つ必要があります。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、負荷電源電圧までの入力コモンモードレンジをサポートする必要があります。

多くのハイサイド電流検出アプリケーション（3相モーター制御など）では、負荷電源電圧がアンプの電源電圧よりはるかに大きいことに言及しておく価値があります。したがって、ハイサイド検出構成では、アンプの入力コモンモードが通常、その電源電圧よりはるかに大きくなる必要があり——これがアンプ設計を非常に困難にしています。

ローサイド方式のグランドループ問題

ローサイド検出方式はアンプ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はグランドパスに追加抵抗を挿入します。したがって、監視対象回路のグランドはシステムグランドよりわずかに高い電位になります。これは一部のアナログ回路で問題となります。

監視対象回路のグランドがシステム内の他の負荷と同電位でないため、グランドループ問題が生じ、可聴ノイズ（ハム音など）や近接機器への干渉を引き起こす可能性があります。この制約により、ローサイド電流検出は通常、単一の絶縁負荷を扱う場合や、負荷がグランドノイズに敏感でない場合に使用されます。ドローン、ドリル、レシプロソーなどのコンシューマー市場で競争するコスト重視のモーター制御アプリケーションでは、通常ローサイド検出を採用します。

ローサイド方式では故障検出が不可能

ローサイド電流検出では検出できないさまざまな故障条件があります。図5は、監視対象回路の電源とシステムグランドの間で短絡が発生した例を示します。

故障電流I_shortはバス電圧からシステムグランドへ直接流れ、シャント抵抗を通りません。したがって、電流監視回路はこの故障状態を検出できません。ローサイド電流検出は、監視対象回路のグランドとシステムグランド間の短絡も検出できません（図6）。

しかし、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故障条件を検出できます。これは図7で示されています。

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、電流測定回路が短絡状態を検出し、適切な是正措置をトリガーできます。

ハイサイド電流検出で配線を簡素化

ローサイド電流検出のもう一つの欠点は、システムグランドが利用可能でも、監視対象回路に電力を供給するために2本の配線が必要になることです。例えば自動車アプリケーションでは、車体シャーシが共通グランドとして機能します。シャーシがシステムグランドレベルにあるため、負荷への電力供給には単一の配線で済みます。しかし、負荷電流をローサイド測定技術で監視する場合、システムグランドを使用できず、負荷に2本の配線が必要になります。ハイサイド検出技術は監視負荷にシステムグランドを使用するため、この制約を受けません。これがハイサイド検出が自動車アプリケーションに適している理由です。

次回の記事では、図3の回路図をさらに詳細に検討します。この構造がPCBトレース抵抗の影響も受けやすく、差動アンプを用いることでより正確な測定が可能になることを見ていきます。

結論

ローサイド検出の主な利点は、シャント抵抗両端の電圧を増幅するために比較的シンプルな構成が使用できることです。しかし、ローサイド電流検出はグランド擾乱に弱く、故障状態を検出できません。ローサイド電流検出は通常、コンシューマー市場で競争するためにコスト重視の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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