통합된 양방향 전류 감지 증폭기를 사용한 효율적인 전류 모니터링 구현

자율 주행차, 공장 자동화 및 로봇 공학, 통신, 서버 전력 관리, D 클래스 오디오 증폭기, 의료 시스템 등 점점 더 많은 응용 분야에서 빠르고 정확한 전류 모니터링이 필요합니다. 이러한 많은 응용 분야에서 양방향 전류 감지가 필요하지만 효율적으로 비용을 최소화하여 수행해야 합니다.

한 쌍의 단방향 전류 감지 증폭기(CSA)를 사용하여 양방향 CSA를 구축할 수 있지만 복잡하고 시간이 많이 소요되는 공정이 될 수 있습니다. 여기에는 별도의 레일 투 레일 연산 증폭기가 포함되어 두 개의 출력을 단일 엔드 출력으로 결합하거나, 마이크로 컨트롤러에서 두 개의 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 입력을 사용하므로 추가 마이크로 컨트롤러 코딩 및 기계 사이클이 필요합니다. 마지막으로, 두 개의 단방향 CSA를 사용하여 양방향 CSA를 구축하면 회로 기판 공간을 더 많이 차지할 수 있으며 부품 수가 많을수록 신뢰성이 떨어지고 재고 요구 사항이 증가할 수 있습니다. 결과적으로 비용과 설계 일정을 초과할 수 있습니다.

대신, 설계자는 통합된 고속 정밀 양방향 CSA로 전환할 수 있습니다. 즉, 가장 콤팩트한 솔루션을 생성하는 내부 저 유도용량 션트 저항기와 통합된 양방향 CSA나, 더욱 유연한 설계 및 레이아웃 옵션을 제공하기 위해 외부 전류 션트를 사용하는 CSA 중에서 선택할 수 있습니다.

이 기사에서는 양방향 CSA의 구현 요구 사항과 더욱 통합된 접근 방식의 이점을 검토합니다. 그런 다음 주요 파라미터 및 차별화 특성을 포함하여 STMicroelectronics, Texas Instruments, Analog Devices의 소자를 예로 소개합니다. 마지막으로 관련 참조 설계/평가 키트/개발 키트, 설계 및 구현 팁을 포함한 장치를 사용하여 설계를 시작하는 방법을 보여줍니다.

두 개의 단방향 CSA를 사용하는 방법

양방향 CSA 회로는 두 개의 단방향 CSA를 사용하여 여러 가지 방식으로 구성할 수 있습니다(그림 1). 왼쪽 예에서 사용된 Analog Devices의 MAX4172ESA+T에는 내부 부하 저항기가 포함되어 있지 않으므로 이산 소자 R_a 및 R_b를 사용합니다. 오른쪽 예에서 MAX4173TEUT+T에는 전류 출력을 전압으로 변환하는 내부 12kΩ 부하 저항기가 있습니다.

그림 1: 두 개의 단방향 전류 감지 증폭기를 사용하는 양방향 전류 감지 응용 제품은 외부 부하 저항기(왼쪽)를 사용하거나 내부 부하 저항기(오른쪽)를 사용하여 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

두 개의 부하 저항기가 필요하지 않지만 MAX4173TEUT+T 회로는 피드백에 1nF 커패시터를 추가하여 부품 B의 제어 루프를 안정화합니다. 두 경우 모두 두 CSA의 출력 전류는 MAX4230AXK+T 범용 연산 증폭기를 사용하여 결합합니다.

두 가지 접근 방식 모두 단일 양방향 CSA를 사용할 때 필요한 부품 수보다 더 많은 부품이 필요합니다. 부품 수가 많을 뿐만 아니라 PC 기판 레이아웃은 단방향 CSA가 모두 V_SENSE 저항기에 가깝게 배치되어야 하므로 더 복잡합니다.

양방향 CSA를 사용한 응용 분야

양방향 CSA는 다목적 소자이며 다양한 응용 분야에서 찾아볼 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 CSA를 3상 서보 모터 시스템에 사용하여 펄스 폭 변조(PWM) 펄스 위상 또는 듀티 사이클에 대한 추가 계산이나 정보 없이 3상 모두의 순간 권선 전류를 결정할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 3상 서보 모터 응용 제품에서 위상 1(R_SENSEΦ1) 및 위상 2(R_SENSEΦ2)에 대한 감지 저항기에 두 양방향 CSA를 연결하여 세 번째 위상 권선의 전류를 나타내는 전압을 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

키르히호프의 법칙에 따르면 처음 두 권선의 전류 합은 세 번째 권선의 전류와 같습니다. 이 회로는 두 개의 MAX40056TAUA+ 양방향 CSA를 사용하여 MAX44290ANT+T 범용 연산 증폭기에서 합산되는 2상 전류를 측정합니다. 세 개의 증폭기는 모두 레퍼런스 전압이 동일하기 때문에 비율계량 측정이 이루어집니다.

다른 예로 D 클래스 오디오 증폭기(Texas Instruments의 INA253A1IPW와 같은 단일 양방향 CSA)를 사용하여 스피커 부하 전류를 정확하게 측정할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: D 클래스 오디오 설계에서 양방향 CSA(INA253)를 사용하여 스피커를 개선하고 진단 회로를 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

스피커 부하 전류의 실시간 측정은 진단 회로에 사용될 수 있으며 주요 스피커 파라미터와 다음을 포함한 파라미터의 변경을 정량화하여 증폭기 성능을 최적화할 수 있습니다.

• 코일 저항
• 스피커의 임피던스
• 공진 주파수 및 공진 주파수에서의 피크 임피던스
• 스피커의 실시간 주위 온도

기판 레이아웃 팁과 전류 션트 고려 사항

기생 저항과 유도 용량은 전류 감지 회로를 구현할 때 문제가 됩니다. 또한 과도한 납땜 및 기생 트레이스 저항으로 인해 감지 오류가 발생할 수 있습니다. 4단자 전류 감지 저항기가 자주 사용됩니다. 4단자 저항기를 사용할 수 없는 경우에는 켈빈 PC 기판 레이아웃 기술을 사용해야 합니다(그림 4).

그림 4: 켈빈 감지 트레이스는 전류 감지 저항기의 납땜 접촉 단자 패드에 최대한 가까이 있어야 합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

켈빈 감지 트레이스를 전류 감지 저항기의 납땜 접점에 최대한 가깝게 배치하면 기생 저항이 최소화됩니다. 켈빈 감지 트레이스가 멀어지면 추가 트레이스 저항으로 인해 측정 오류가 발생합니다.

감지 저항기 선택은 기생 유도 용량을 최소화하는 중요한 포인트입니다. 전압 오차는 부하 전류에 비례하므로 패키지 유도 용량을 최소화해야 합니다. 일반적으로 권선 저항기는 가장 높은 유도 용량을 가지며 표준 금속 필름 소자는 중간 수준의 유도 용량을 갖습니다. 전류 감지 응용 제품의 경우 일반적으로 낮은 유도 용량 금속 필름 저항기를 권장합니다.

션트 저항기의 값은 작동 범위와 소비 전력 간의 상호 절충점입니다. 고전류 감지의 경우 열 방출(I²R)을 최소화하기 위해 낮은 값의 션트를 사용하는 것이 좋습니다. 저전류 감지에서는 더 높은 저항값을 사용하여 오프셋 전압이 감지 회로에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다.

대부분의 CSA는 전류를 측정하기 위해 외부 션트에 의존하지만 내부 전류 션트를 사용하는 CSA도 있습니다. 내부 션트를 사용하면 더 적은 수의 부품으로 더욱 콤팩트한 설계를 할 수 있지만 다음과 같은 몇 가지 상호 절충이 발생합니다. 션트의 값이 미리 결정되므로 유연성이 떨어지고, 외부 션트 CSA에 비해 더 높은 정동작 전류가 필요하며, 측정할 수 있는 전류량은 내부 션트의 성능에 의해 제한됩니다.

고전압 정밀 양방향 CSA

STMicroelectronics의 TSC2011IST를 사용하면 설계자가 저저항 외부 전류 션트를 사용하는 정밀 성능을 활용하여 소비 전력을 최소화할 수 있습니다(그림 5). 이 양방향 CSA는 데이터 취득, 모터 제어, 솔레노이드 제어, 계측, 테스트 및 측정, 공정 제어와 같은 응용 분야에서 정밀 전류 측정을 제공하도록 설계되었습니다.

그림 5: TSC2011IST에는 에너지 절약을 최대화하기 위한 셧다운 핀(SHDN)이 포함되어 있으며 -40°C~125°C의 산업용 온도 범위에서 작동합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

TSC2011IST는 60V/V의 증폭기 이득, 통합 전자파 장해(EMI) 필터 및 2kV 인체 모델(HBM) 정전기 방전(ESD) 허용 오차 범위(JEDEC 표준 JESD22-A114F에 따름)를 가집니다. TSC2011은 일관된 측정을 제공하기 위해 전체 범위에서 최소 10mV의 전압 강하를 감지할 수 있습니다. 750kHz의 이득 대역폭 곱과 7.0V/µs의 슬루율의 조합으로 높은 정확도와 빠른 응답을 보장합니다.

설계자는 STEVAL-AETKT1V2 평가 기판을 사용하여 TSC2011IST를 빠르게 시작할 수 있습니다(그림 6). -20V~+70V 범위의 폭넓은 공통 모드 전압에서 전류를 감지할 수 있습니다. TSC2011IST의 특징은 다음과 같습니다.

• 이득 오차: 최대 0.3%
• 오프셋 드리프트: 최대 5µV/°C
• 이득 드리프트: 최대 10ppm/°C
• 정동작 전류: 셧다운 모드에서 20µA(전원 차단 모드)

그림 6: STEVAL-AETKT1V2 평가 기판에는 메인 기판과 TSC2011IST가 포함된 도터 카드가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

내부 션트 양방향 CSA

Texas Instruments의 INA253A1IPW는 2mΩ의 0.1% 낮은 유도 용량 전류 션트를 통합하고 최대 80V의 공통 모드 전압을 지원합니다(그림 7). INA253A1IPW는 설계자에게 대용량 dv/dt 신호를 억제할 수 있는 고급 버전 PWM 제거 회로망을 제공하여 모터 구동 및 솔레노이드 밸브 제어와 같은 응용 분야에 대한 실시간 연속 전류 측정을 가능하게 합니다. 내부 증폭기 특징은 120dB이 넘는 DC 공통 모드 제거율(CMRR)과 50kHz에서 90dB AC CMRR의 정밀 제로 드리프트 토폴로지를 갖추고 있습니다.

그림 7: 여기에 표시된 일반 응용 제품의 INA253A1IPW 양방향 CSA에는 내부 전류 션트가 있으며 -40°C~+85°C 범위에서 ±15A의 연속 전류를 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

설계자는 연관된 INA253EVM 평가 기판의 테스트 포인트를 사용하여 CSA의 기능 핀에 액세스함으로써 INA253A1IPW 기반 시스템 설계 개발을 가속할 수 있습니다(그림 8). 2층 기판의 크기는 6.1cm × 10.7cm이며 28.35g 구리로 제작되었습니다.

그림 8: 2층 기판인 INA253EVM의 크기는 6.1cm × 10.7cm이며 28.35g 구리로 제작되었습니다. 하단 레이어에는 부품이 없지만 리턴 전류에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공하는 솔리드 구리 접지면이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

PC 기판에는 최소한의 지원 회로망이 포함되어 있으며 필요에 따라 기능을 재구성, 제거 또는 우회할 수 있습니다. INA253EVM은 다음과 같은 특징을 제공합니다.

• 3개의 INA253A1IPW 소자
• 모든 핀에 대한 간편한 액세스
• 전체 –40°C~+85°C 온도 범위에서 INA253 CSA를 통해 ±15A의 전류를 지원하는 기판 레이아웃 및 구성
• 기본 구성 이외의 구성을 위해 PC 기판에 홀더 배치

하단 레이어에는 부품이 없지만 리턴 전류에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공하는 솔리드 구리 접지면이 포함되어 있습니다.

AEC-Q100 인증 양방향 CSA

설계자는 풀브리지 모터 제어기, 스위칭 전원 공급 장치, 솔레노이드, 배터리 팩 및 자동차 응용 제품의 전류를 모니터링하기 위해 Analog Devices의 LT1999IMS8-20#TRPBF를 사용할 수 있습니다(그림 9).

그림 9: LT1999IMS8-20#TRPBF는 풀브리지 전기자 전류 모니터링 응용 제품의 양방향 CSA입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LT1999IMS8-20#TRPBF는 자동차 응용 제품에 대해 AEC-Q100 인증을 받았으며 전력 소비를 최소화하는 전원 차단 모드를 포함합니다. 이 소자는 외부 션트를 이용하여 전류의 방향과 양을 측정합니다. 공급 전압과 접지와의 사이에 중간을 참조하여 비례 출력 전압을 생성합니다. 설계자는 외부 전압을 적용하여 레퍼런스 레벨을 설정할 수 있습니다.

LT1999IMS8-20#TRPBF는 V_SHDN(8번 핀)이 접지의 0.5V 이내로 구동될 때 약 3μA를 소모하는 저전력 전원 차단 상태에 들어갑니다. 입력 핀(+IN 및 –IN)은 0V~80V 범위 내에서 바이어스되는 경우(차동 전압이 적용되지 않음) 약 1nA를 소모합니다. EMI 감수성은 내부 1차 차동 저역 통과 EMI 억제 필터에 의해 감소하여 소자의 대역폭을 초과하는 고주파 신호를 제거하는 데 도움이 됩니다.

LT1999 계열을 시험하기 위해 Analog Devices는 1698A 데모 기판을 제공합니다. 이 기판은 온보드 전류 감지 저항기에서 전압 강하를 증폭하고 저항기를 통과하는 전류에 비례하는 양방향 출력 전압을 생성합니다. 설계자는 10V/V(DC1698A-A), 20V/V(DC1698A-B) 및 50V/V(DC1698A-C)의 세 가지 고정 이득 옵션 중에서 선택할 수 있습니다.

PWM 제거 기능이 있는 양방향 CSA

솔레노이드 및 모터와 같은 유도성 부하를 제어하는 설계에서 공통 모드 입력 PWM 에지의 제거를 개선하기 위해 설계자는 MAX40056TAUA+를 사용할 수 있습니다(그림 10). 앞서 언급한 그림 2에서 MAX40056TAUA+는 ±500V/μs 이상의 슬루율을 처리할 수 있는 양방향 CSA입니다. 일반적인 CMRR은 60dB(50V, ±500V/µs 입력) 및 140dB DC입니다. 공통 모드 범위는 -0.1V~+65V이며 -5V까지의 유도성 킥백 전압에 대한 보호 기능을 포함합니다.

그림 10: MAX40056TAUA+에는 내부 레퍼런스 전압 1.5V, 고급 버전 PWM 제거, 통합 내부 윈도우 비교기가 포함되어 음극과 양극 과전류 조건(왼쪽 하단, CIP 입력으로 구동)을 모두 감지합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAX40056TAUA+는 내부 레퍼런스 전압이 1.5V이며 다음과 같이 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

• 차동 아날로그 디지털 컨버터 구동
• 감지된 전류의 방향을 표시하기 위한 출력 오프셋
• 성능 저하를 방지하기 위해 외부 부하에 전류 공급

더 높은 전체 범위 출력 스윙이 유용한 경우 또는 3.3V 이상의 공급 전압의 경우, 설계자는 내부 레퍼런스를 더 높은 외부 전압 레퍼런스로 재정의할 수 있습니다. 마지막으로 설계자는 내부 또는 외부 레퍼런스를 사용하여 통합 과전류 비교기를 트립하기 위한 임계값을 설정하여 과전류 오류를 즉각적인 신호로 제공할 수 있습니다.

MAX40056TAUA+용 MAX40056EVKIT# 평가 키트는 설계자에게 솔레노이드 구동 및 서보 모터 제어와 같은 고정밀, 고전압 양방향 CSA 응용 제품 개발을 위한 검증된 플랫폼을 제공합니다.

결론

자동차, 공장 자동화 및 로봇 공학에서부터 서버 전력 관리, Class-D 오디오 증폭기 및 의료 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 빠르고 정확한 전류 모니터링이 필요합니다. 많은 경우 양방향 전류 감지가 필요합니다.

다행히 설계자는 빠르고 정확한 양방향 전류 모니터링을 구현하기 위해 다양한 통합 양방향 CSA 및 관련 개발 플랫폼 중에서 선택할 수 있습니다.

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