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電流センス・アンプ

電流センス・アンプ

電流センス・アンプは、その入力に接続した負荷を流れる電流に比例したアナログ電圧を出力する差動アンプです。

電流センシング

STの電流センス・アンプICの製品ポートフォリオには、さまざまな高性能デバイスが含まれています。

電流センシング

電流センス・アンプ・ソリューションは、重要な安全機能と保護機能をシステム設計にもたらします。電源回路を流れる電流を測定し、過熱や短絡を防止します。効率の良い電力監視と環境影響の最小限化を目的としたエネルギー計測においても、電流センシングは不可欠な技術です。

主な機能

STの電流センス・アンプICの製品ポートフォリオは、主に以下のような特徴を備え、堅牢性およびアプリケーションの安全性を確保しています。

  • -20V~+70Vの範囲の電圧ライン監視
  • 双方向または片方向の電流測定
  • 開発期間短縮および部品点数削減のためのソリューション
    • EMIフィルタ内蔵
    • ピンを使用して選択可能なゲイン
    • シャットダウン機能
  • 外付け保護回路を必要としない堅牢なデバイス
  • 車載グレード認定済み

 

10年間の長期製品供給保証

高耐圧

電気自動車のバッテリのような高電力システムでは、高い電圧範囲に対する許容度と、負電圧を扱う保護メカニズムが不可欠です。STの電流センス・アンプは、外部に保護部品を追加することなく高電圧アプリケーションで動作できるため、最終的な回路構成を簡素化することができます。

高精度

高精度の電流センス・アンプを使用することにより、最小限の誤差でシャント抵抗両端のわずかな電圧降下を測定することができます。測定による電力損失を最小限にするため、シャント抵抗値を小さくする必要があります。きわめて正確な電流測定が可能な高精度電流センス・アンプにより、優れた電力効率熱性能が得られます。


電流センス・アンプの主なメリット

回路設計において、電流センス・アンプには以下のメリットがあります。

  • 数ミリ・アンペアから数百アンペアの電流を測定可能
  • 電源トポロジなどにおいて電流をリアルタイムで測定可能
  • 内蔵された抵抗で適正に固定ゲインが構成されており、高精度な電流測定が可能
  • 内蔵されたゲイン抵抗により、PCBの小型化が可能
  • 動作電源電圧をはるかに超える高いコモン・モード入力電圧に対する耐量

電流センス・アンプの動作

電流センス・アンプ回路
回路例

電流センス・アンプの動作原理は、オームの法則に基づいています。電流センス・アンプの入力側にあるシャント抵抗(Rshunt)に負荷電流が流れると、その両端に電圧降下VSENSEが発生します。測定による電力消費を抑制するために、この電圧は基本的に小さい値にします。

VSENSEはその後、電流センス・アンプ内部の計装アンプで増幅されます。得られる出力電圧(VOUT)は負荷電流に比例します。この電圧をADC(A/Dコンバータ)で処理します。

電流センス・アンプの主な種類

ハイサイド / ローサイド電流センス・アンプ回路
回路例

ハイサイド・アンプ

電源と負荷の間で電流を測定します。入力ピンには、電源電圧よりはるかに高いDC電圧が印加されることがあります。

メリット
  • 対グランド短絡の検出
  • グランド障害に対する高い耐性
  • 電源供給側から電流を直接監視
課題
  • 高い入力コモン・モード電圧
  • 入力コモン・モード電圧の高速な変動への対応

ローサイド・アンプ

負荷とグランドの間で電流を測定します。入力ピンにはグランド・レベルに近い電圧を印加します。

メリット
  • シンプルな実装が可能
  • コスト効率に優れたソリューション
  • VICM(入力コモン・モード電圧)が GND(0V)に近い値
課題
  • 対グランド短絡の検出が困難
  • 複数出力の電源への対応(すべての電流がGNDラインを共用)
  • 負荷から見たグランド電圧が変動する可能性

双方向 / 片方向

アプリケーションによっては、電流が双方向に負荷を流れることがあります。この例として、Hブリッジ・トポロジによるモータ制御アプリケーションがあります。この場合、電流センス・アンプには、追加のピンとしてVREFが必要となります。VREFピンにより、電源範囲の任意の電圧を設計段階で出力基準電圧として設定することができます。基準電圧を1つの電圧レールに設定することで、双方向アンプを片方向電流センス・アンプとして使用できます。

設計に適した電流センス・アンプの選択方法

  1. 設計に必要な構成の明確化

    ハイサイド設定: アプリケーションで必要な最大コモン・モード電圧(VICM)とそのアプリケーションの電源電圧(VCC)に応じて、電流センス・アンプを選択します。

    ローサイド設定: 0Vに近いコモン・モード電圧で動作できる電流センス・アンプを選択します。
    オペアンプを使用して、4つの外部抵抗器を追加しゲインを設定することもできます。ただしこの場合にはPCBのサイズが大きくなり、精度も低下します。

  2. 電流の方向の確認

    必要な構成の明確化と、電流検出を双方向とするか片方向とするかを選択するため、アプリケーションで電流を双方向に流す必要があるかどうかを確認します。

  3. 正確な測定が必要な場合の措置

    アプリケーションに関連するいくつかのパラメータを考慮する必要があります。測定する電流範囲と使用するシャント抵抗によっては、シャント抵抗両端の電圧降下がきわめて小さくなります(数百µV)。高精度を実現するには、オフセットとゲイン精度に関連する誤差を検討することが重要です。

Smart power sensing - Skateboard demo with the TSC1641 digital power monitor
電流センス・アンプ
クイック・リファレンス・ガイド

New low/high-side bidirectional current sense amplifiers for Industrial and Automotive

TSC21x製品は、高精度な電流センシングを可能にするゼロドリフト・アーキテクチャをベースとしており、優れた精度高い信頼性を提供します。

TSC21x製品には6つのバージョンがあり(TSC210 / TSC211 / TSC212 / TSC213 / TSC214 / TSC215)、それぞれ異なる固定ゲインを提供します。2.7V~26Vの広い電源電圧範囲で動作可能な上、-40℃~+125℃の動作温度範囲をサポートしているため、産業用および車載用アプリケーションに最適な製品です。

評価ボードを使用して、設計をサポートすることも可能です。

STEVAL-AETKT2V1

Low- and high-side current sense amplifiers with overcurrent protection for automotive, industrial, and telecom applications

The TSC200, TSC201, and TSC202 are current sense amplifiers delivering an analog voltage output, designed for both high- and low-side sensing.

The devices can detect current through a shunt resistor across -20 V to +80 V of common-mode voltage, featuring an amplification gain of 20 V/V for TSC200, 50 V/V for TSC201, and 100 V/V for TSC202.

AEC-Q100 qualified, the TSC200, TSC201, and TSC202 integrate an open-drain comparator with an output latch function and an internal 0.6 V voltage reference connected to the input.

TSC2020: the ultimate solution for high voltage (100V) precision current sensing in Automotive and Industrial applications

With advanced bidirectional sensing capabilities, the TSC2020 can accurately sense currents up to 100V common mode voltage via a shunt resistor.

AEC-Q100 Automotive qualified and packaged in both standard SO-8 and MiniSO-8, the device is designed to sense very low drop voltages, resulting so the perfect choice for precision current measurement, overcurrent protection, current monitoring, and feedback loops.

High-voltage, bidirectional current-sense amplifiers

高電圧双方向電流センスアンプのTSC2010(20V/Vゲイン)TSC2011(60V/V)、およびTSC2012(100V/V)は、シャント抵抗検出型で10mVというきわめて低いドロップ電圧で検知できます。また、-20V~+70Vの幅広いコモン・モード電圧にわたり、電源電圧に依存せず電流を検出することが可能です。さらに、広い動作温度範囲(-40℃~+150℃)にも対応したTSC2010HTSC2011H、およびTSC2012Hの高温対応シリーズも提供しています。

設計サポート・ツールとして評価ボード(STEVAL-AETKT1V2)を入手可能です。

eDesignSuite

eDesignSuite is a comprehensive set of easy-to-use design-aid utilities ready to help you streamline the system development process with a wide range of ST products.

Power Management Design Center

Thermal-electrical Simulators for Components

Signal Conditioning Design Tool

NFC/RFID Calculators

Choose design tool:

Power Supply Design Tool

SMPS design, by topology, by type and by product
PFC design with analog and digitial control
Supports various PCB configurations
Choose type:
DC/DC
AC/DC
太陽光発電システム

LED Lighting Design Tool

Handles AC-DC and DC-DC design in common topologies
Displays interactive and annotated schematic
Provides current/voltage graphs, Bode plots, efficiency curves and power-loss data
Choose type:
DC/DC
AC/DC

Digital Power Workbench

Provides a step-by-step optimized design of power section and control loop
Generates the STM32Cube embedded software package for custom applications and allows firmware project generation, compatible with multiple STM32 IDEs

Power Tree Designer

Specify input/output power for each node in the tree
Check for consistency
Design each individual node
Choose design tool:

AC Switches Simulator

Select ratings and application waveforms
Get junction temperature and blocking voltage graphs
Search and sort suitable devices

Rectifier Diodes Simulator

Select ratings and application waveforms
Estimate power losses
Search and sort suitable devices

STPOWER Studio

Supports long mission profiles
Provides power loss and temperature graphs
Helps define heatsink thermal properties

Twister Sim

Help select the right ViPOWER Automotive power device
Supports load-compatibility, wiring harness optimization, fault condition impact and diagnostic analysis
Supports various PCB configurations

TVS Simulator

Specify system ratings and surge waveform
Search and sort suitable devices

Estimate

Build simple schematics and firmware inputs in minutes
Quickly generate reliable estimates of battery life, system power consumption and bill of materials costs
Choose design tool:

Active Filters

Handles multi-stage-designs and common topologies
Returns circuit component values
Provides gain, phase and group delay graphs
Low Pass, High Pass and Band Pass

Comparators

Handles most common configurations
Returns circuit components values
Provides I/O signal waveforms
Inverting, Non Inverting, Window

Low side Current Sensing

Returns circuit component values
Provides current error graphs

High side Current Sensing

Provides current error graphs.
Help to select the right High side current sensing and shunt devices.
Choose design tool:

NFC Inductance

Input geometry and substrate properties
Get antenna impedance

UHF Link Budget

Enter forward and reverse link characteristics
The tool returns link budget estimate

NFC Tuning Circuit

Enter antenna parameter and matching target
Select the topology of the matching network
The tool returns component values for the desired design targets