電流測定は、さまざまなパラメータを制御するために使用されます。その1つは負荷での電力です。 負荷を流れる電流を測定するための多くの読み出し要素があります。 それらの選択は、特定の各デバイスのニーズと、測定された電流の大きさによって決まります。 この記事では、電流を測定するための3種類の読み出しコンポーネントについて説明します。
1.シャント抵抗器
シャントとシャント抵抗は、電流に敏感な要素の最も単純なバージョンです。 抵抗器の抵抗温度係数（TCR）を覚えて、それを加熱しないようにするだけです。 電流に敏感な抵抗を選択するための経験則を思い出してください。その最大許容電力は、消費電力の動作電力の少なくとも2倍でなければなりません。
抵抗を流れる電流の大きさに応じた抵抗の温度変化は、消費電力に対する定格電力の比率に正比例します。
電流に敏感な抵抗を選択する場合、そのハウジングの熱抵抗を考慮する必要があります。 このパラメータは、抵抗器とその外面の間の熱抵抗であり、抵抗器の温度上昇を決定する主な指標です。 表には、標準の表面実装ハウジングの熱抵抗がリストされています。
導体幅
プリント回路基板を設計するとき、その銅導体がデバイスに必要な最大電流に耐えることが必要です。
各デバイスについて、厚さ、導体の幅、およびコストの間の合理的な妥協点を見つける必要があります。
トポロジー
電流測定抵抗と測定回路の間の導体の長さは、導体の抵抗だけでなく、寄生容量とインダクタンスも減らすために可能な限り小さくする必要があります。
信号導体を電流に敏感な抵抗器に接続する
4つの電流検出抵抗を使用することをお勧めします
結論。 何らかの理由で2ピン抵抗を使用する場合、信号バスはプリント回路基板の端子ブロックに接続されている場所の電流検出抵抗の下にある必要があります。
多くの場合、電流検出抵抗器の幅は、電流が流れるバスの幅よりも小さくなります。 導体はこれらのバスバーに45°の角度で接続され、均一な電流が流れるようにします。
磁気干渉
導体によって生成される磁場の大きさは、導体を流れる電流に直接比例し、測定ポイントまでの距離に反比例します。 高インピーダンスの信号導体は、高電流の導体と平行にしないでください。 大電流で導体を交差させないでください。 何らかの理由でこれが不可能な場合は、干渉の影響を制限するために、これらの導体を互いに垂直にし、信号導体から最も遠い層を横切ることをお勧めします。
2.抵抗がアクティブな回路
測定チェーンに追加の損失を引き起こさない、直流抵抗（DCR）を備えた電流に敏感な回路の設計を検討してください。
通常、アクティブ抵抗を備えた回路は、電流検出抵抗器での電圧降下が負荷に供給される供給電圧のかなりの部分を占める低電圧デバイスで使用されます。
アクティブ抵抗電流測定回路は、電流に敏感な抵抗器の代替品です。 インダクタの浮遊抵抗を使用して負荷電流を測定します。 この回路は、レギュレータパルス回路のインダクタを流れる電流をリモートで測定します。 負荷のレギュレータと直列にコンポーネントが取り付けられていないため、回路は損失なく動作します。
適切にマッチングされたDCR回路では、ADC側の実効インピーダンスはインダクタの抵抗に等しくなります。 この図は、降圧パルスコンバータの負荷電流を測定するためのアクティブ抵抗を備えた簡単な回路を示しています。
調整機能を備えていないDCR回路を設計すると、測定誤差が最大35％増加します。これは、この回路のインダクタンスとキャパシタンスの広がりに関連しています。 場合によっては、測定誤差が最大50％増加する可能性があります。 ただし、不揮発性デジタルポテンショメータ（デジタルポテンショメータ、DCP）を備えた単純なイコライゼーション回路を使用すると、電流測定の精度が大幅に向上します。
そのため、DCRスキームでは損失が発生せず、プリント基板上のスペースをほとんど占有しません。 これらのソリューションは適切に機能するために調整する必要があるため、それらに基づくデバイスの製造には追加の対策が必要です。 無効成分の値の偏差に対する大きな許容誤差は、回路の実効抵抗間の値の大きな広がりにつながる可能性があります。 インダクタとコンデンサの温度係数が大きいと、回路の誤差が大きくなります。 一般に、アクティブ抵抗回路のアーキテクチャは、高電流の測定に適していると考えることができます。
3.ホールセンサー
ホールセンサーを検討してください。 通常、高電流デバイス用に設計されたこれらのセンサーは、磁場の誘導を測定することで導体を流れる電流を検出します。 電流測定はリモートで実行されるため、ホールセンサーは損失なく動作すると考えられています。 これらのデバイスは、電流が200 Aを超えるシステム向けに設計されています。 電流に敏感な抵抗によって消費される電力は非常に大きくなります。
この図は、ホール効果に基づいた電流測定方法の基本概念を示しています。 この回路では、導体を流れる電流は、導体によって生成される磁場Bの誘導を測定することによって決定され、磁場の大きさは流れる電流に正比例し、その方向によって決定されます。
リニアホールセンサーは、3〜10 mAの電流を消費するアクティブ回路です。 これらのセンサーのノイズレベルは約25 mV、つまり5 Gです。 これらのデバイスは、ノイズと電流消費が大きいため、小電流または導体とセンサー間の距離が長いデバイスには適していません。
弱い磁場を測定するときは、信号導体とセンサーが動作する条件を考慮する必要があります。 リニアホールセンサーは、センサー自体の位置で全磁場を測定します。 センサーの隣にある電流のある導体は、測定される磁場の大きさを変え、読み取り値の精度を損ないます。 センサーは、エンジンまたはその他のエネルギー生成デバイスが切り替えられたときに発生する他の外部磁場にも反応します。
センサーに対する外部磁場の影響を制限するために、電流導体を囲む磁気スクリーンが使用されます。 この図は、導体とセンサーをシールドする金属ケース（ファラデーケージ）の使用例を示しています。
最近、統合された導電チャネル、補償回路、保護シールドを備えたホールセンサーが市場に登場しました。 導電性チャネルをセンサーに統合すると、導体を通る電流の関数としての出力信号の計算が容易になります。 シングルチップソリューションは、デバイスの設計と、ホールセンサーを使用した電流測定用アプリケーションの開発を簡素化します。
近年、ホール効果センサーの設計が改善され、その精度と干渉に対する保護が向上したという事実にもかかわらず、この技術の使用は大電流デバイスに限定されています。 ホールセンサーは、シャント抵抗よりも少ない電力を消費します。
結論
シャント抵抗は、回路設計とそのコストの単純さ、および測定の精度のため、最も一般的な電流に敏感な要素です。 DCR回路は、スイッチングレギュレータとリモート電流測定による小さな調整可能な出力電圧を備えたデバイス向けに設計されています。 最後に、ホールセンサーは高電流デバイス用に設計されています。これは、消費される電力がシャント抵抗に基づくソリューションの消費電力よりも少ないためです。
検討した3つのソリューションには、それぞれ長所と短所があります。 シャント抵抗は電力を消費するため、これらのコンポーネントに基づくソリューションのエネルギー効率は比較的小さくなります。 さらに、低電圧のデバイスでは、電流検出抵抗器の電圧降下の大きさは動作電圧に比例する可能性があり、これは許容できません。 アクティブ抵抗（DCR）を使用する回路の動作は、コンデンサとインダクタのマッチングに依存します。 両方のコンポーネントには、大きな公差と高い温度係数があります。 ホールセンサーは周囲のノイズの影響を受けやすく、回路の欠点により使用が複雑になります。 この技術の改善にもかかわらず、測定の精度はそのアプリケーションの制限要因のままです。