전류 측정의 기초: 1부 - 전류 감지 저항기

편집자 주: 2부로 구성된 이 연재 기사에서는 전류 감지의 과소평가된 미묘한 세부사항을 살펴봅니다. 1부(여기)에서는 전류 감지 저항기의 일반 설정, 선택 및 구현에 대해 설명합니다. 2부에서는 주요 아날로그 프런트 엔드(AFE), 계측 증폭기 등과 같은 관련 회로망에 대해 설명합니다.

전류 측정의 기본 사항

전류 흐름은 전자 시스템의 작동 효율을 평가, 제어, 진단하는 데 사용되는 가장 일반적인 파라미터 중 하나입니다. 이렇게 일반적인 측정이기 때문에 설계자가 정확한 전류 측정의 미묘한 차이를 과소평가할 경우 문제가 발생할 수 있습니다.

전류 흐름을 감지하는 데 사용되는 가장 일반적인 감지 소자는 전류 경로에 있는 저가의 정밀 저항기입니다. 일반적으로 션트라고 하는 이 저항기는 통과하는 전류에 비례해서 전압을 발생시킵니다. 션트 저항기는 전류 흐름에 큰 영향을 주지 않으므로, 몇 밀리옴 또는 몇 분의 일 밀리옴(mΩ)에 불과한 경우도 있습니다. 그러면 션트 저항기에서 발생하는 전압도 매우 작으므로, ADC에 의해 변환되기 이전에 증폭해야 하는 경우가 많습니다.

따라서 전류 모니터링을 위한 일반 신호 체인 구성에는 션트 저항기에서 발생되는 전압을 증폭하기 위한 아날로그 프런트 엔드, 증폭된 전압을 디지털 표현으로 변환하기 위한 ADC, 시스템 컨트롤러(그림 1)가 포함됩니다.

그림 1: 전류 흐름을 측정하는 가장 쉬운 방법은 전류 션트 저항기(맨 왼쪽)를 사용하는 것입니다. 션트 저항기를 통과하는 전류에 비례해서 전압이 발생합니다. AFE는 ADC의 전체 측정 범위를 사용하기 위해 션트 저항기의 낮은 전압을 증폭합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

일반적으로 연산 증폭기 또는 전용 전류 감지 증폭기를 통해 구현되는 AFE는 션트 저항기에서 발생하는 작은 차동 전압을 ADC의 전체 측정 범위의 많은 부분을 사용하는 더 큰 출력 전압으로 변환합니다. ADC는 독립형 장치이거나 마이크로 컨트롤러 또는 시스템온칩(SoC) 내 온칩 블록이며, 전압 신호를 디지털화하고 제어 프로세서에 결과 정보를 제공합니다. 시스템 컨트롤러는 디지털화된 전류 흐름 측정을 사용하여 시스템 성능을 최적화하거나 안전 프로토콜을 구현하여 전류 흐름이 사전 설정된 한도를 초과할 경우에 시스템이 손상되는 것을 방지합니다.

체인의 센서 부품이 전류를 전압으로 변환하는 데 사용되므로, 저항기의 모든 물리적 특성(저항, 허용 오차 범위, 전력 커패시터, 열 계수, 열 EMF 등)이 정확성에 영향을 줍니다. 따라서 전류 측정을 최적화하려면 적절한 션트 저항기를 선택해야 합니다.

션트 저항기에서 발생하는 션트 저항값과 해당 전압은 시스템을 동요하게 만듭니다. 예를 들어, 션트 저항기의 저항이 너무 클 경우 부하를 구동하는 데 사용할 수 있는 전압이 감소되고 불필요한 손실이 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 모터 권선에 공급되는 전류를 측정할 때 저감 전압으로 인해 모터에 공급되는 전력이 감소되어 효율성 및/또는 토크에 영향을 미칩니다. 또한 션트 저항기를 통과하는 고전류(수십 또는 수백 암페어)로 인해 저항기에서 많은 양의 전력을 폐열로 소비하므로, 측정 정확도와 효율이 저하됩니다. 따라서 션트 저항은 최대한 작아야 합니다.

전류 측정을 위한 션트 저항기 선택

션트 저항기는 저항기를 통과하는 부하 전류의 결과로 전력을 소비하므로 저항값이 매우 낮아야 합니다. 또한 측정 안정성을 위해 전류 감지 저항기는 저항의 온도 계수(TCR)가 매우 낮아야 합니다. TCR이 낮을수록 온도 종속성이 낮아서 측정 정확성이 높아집니다.

다른 중요한 특성으로 전류 감지 저항기의 열 EMF가 있습니다. 전류 션트 저항기는 폭넓은 전류 범위에서 작동해야 합니다. 전류가 낮을 경우(예를 들어, 배터리 응용 제품의 절전 모드 또는 대기 모드 동안) 션트의 열 EMF는 저항기를 통과하는 전류로 인해 생성되는 전압에 측정 가능한 오차 전압을 추가합니다. 측정 오차를 최소화하려면 이 오차 전압이 션트 저항기를 통과하는 관련 전류에 의해 발생되는 최소 예상 전압보다 훨씬 낮아야 합니다.

전류 감지 응용 제품을 위한 션트 저항기에는 2개 또는 4개의 단자가 제공됩니다. 단자가 2개인 션트 저항기는 2단자 저항기와 동일한 방식으로 작동하므로 간단히 이해할 수 있습니다. 전류가 2단자 션트 저항기를 통과하면 단자에서 통과 전류에 비례하여 전압이 발생합니다.

2단자 션트 저항기의 예로는 Bourns CSS2 션트 저항기 계열 및 Vishay WSLP 션트 저항기 계열이 있습니다. Bourns CSS2 계열에는 정격 전력 2W ~ 15W, 저항 0.2mΩ ~ 5mΩ, 최대 정격 전류 140A ~ 273A인 션트 저항기가 포함됩니다. 이 계열의 일반적인 소자인 CSS2H-2512R-L500F는 2512 표면 실장 패키지로 제공되며 저항은 0.5mΩ, 정격 전력은 6W입니다.

Vishay의 WSLP 션트 저항기 제품군에는 실장 면적 크기 범위 0603 ~ 2512, 정격 전력 0.4W ~ 3W, 저항 0.5mΩ ~ 0.1Ω, 저항 허용 오차 범위 0.5% 또는 1%인 여러 표면 실장 패키지 스타일의 소자가 포함됩니다. 일반적인 Vishay 전류 션트 저항기 WSLP1206R0150FEA는 1206 패키지로 제공되며 저항 15mΩ, 허용 오차 범위 1%, 정격 전력 1W입니다.

이러한 표면 실장 기술(SMT) 전류 션트 저항기는 크기가 작고 매우 작은 기판 공간을 필요로 하지만, 많은 양의 열을 방출할 수 있으므로 열에 민감한 부품에서 멀리 배치해야 합니다.

단일 션트 저항기의 3개 저항

모양과 달리 전류 션트 저항기는 보이는 것처럼 간단하지 않습니다. 특히, 션트 저항기의 저항은 실제로 3개의 저항으로 구성됩니다(그림 2). 먼저 션트 저항기 자체의 저항이 있습니다. 그리고 션트 저항기의 리드 저항과 션트 저항기에 연결된 인쇄 회로 기판의 리드 저항이 있습니다. 일반적으로 이러한 리드 저항은 미미하지만, 전류 션트 저항기는 일반적으로 매우 낮은 값을 가집니다. 고전류 측정에서는 리드 저항이 아무리 작더라도 션트 저항기의 제조업체 저항 사양을 벗어나므로 측정 오차가 발생합니다.

그림 2: 2단자 전류 션트 저항기에는 3개의 직렬 저항(실제 션트 저항기의 저항, 저항기의 두 리드 저항, 저항기에 연결된 PC 기판의 리드 또는 트레이스 저항[표시 안 됨])이 있습니다. 리드 저항은 고전류 측정에서 측정 오차를 일으킬 수 있습니다. (이미지 출처: Bourns)

외부 리드 저항으로 인해 발생하는 측정 오차를 방지하는 한 가지 방법은 별도의 감지 트레이스를 실행하여 2단자 션트 저항기에 대한 켈빈(Kelvin) 연결을 생성하는 것입니다(그림 3).

그림 3: 2단자 전류 감지 저항기에 대한 켈빈 연결은 저항기와 회로 기판의 저항으로 인해 발생하는 측정 오차를 줄여줍니다. 2단자 전류 션트 저항기의 예제 이미지가 오른쪽에 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Bourns)

이 구성에서는 큰 회로 기판 트레이스로 인해 전류 션트 저항기에 전류가 공급되고 출력됩니다. 기본 전류 흐름에 포함되지 않는 매우 작은 트레이스가 션트 저항기의 저항 소자에 가깝게 배치된 경우 션트 저항기에서 전압을 떼어 내어 AFE에 전달합니다. 전류가 흐르는 단자에서 감지 단자를 분리하면 켈빈 연결이 정의됩니다.

2단자 션트 저항기를 사용하여 완성된 켈빈 연결 회로도가 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4: 2단자 션트 저항기에 대한 켈빈 연결을 사용하면 전압 감지 선을 기본 전류 경로 외부로 이동하여 션트 저항기에서 전압을 더 정확하게 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Bourns)

그림 4에 표시된 두 감지 저항은 증폭기 또는 ADC의 고임피던스 입력에 연결되므로 이러한 감지 저항을 통해 흐르는 전류가 매우 작습니다. 따라서 해당 저항은 션트 저항기에 대해 전류를 공급 및 출력하는 리드의 저항 값보다 훨씬 작습니다. 그 결과, 감지 저항에서의 전압 강하가 매우 작으며 이는 전류 측정의 중요한 오차 원인이 아닙니다.

2단자 또는 4단자?

그림 3의 PC 기판 레이아웃 구성도에 표시된 것처럼 켈빈 연결을 사용하더라도 2단자 션트 저항기에서는 리드 저항을 완전히 제거할 수는 없습니다. 션트 저항기를 회로 기판에 배치하고 납땜할 경우 패드 레이아웃 허용 오차 범위가 위치 지정 오차를 수용해야 합니다.

또한 PC 기판 동축 트레이스의 TCR(3,900ppm/°C)이 션트 저항기 저항 소자의 TCR(일반적으로 50ppm/°C 미만)보다 훨씬 커야 합니다. 이러한 파라미터 차이로 인해 회로 기판 트레이스의 저항 변경이 전류 감지 저항기의 변경보다 훨씬 커서 감지 회로의 온도 종속성이 커질 수 있습니다.

켈빈 연결이 있는 2단자 션트 저항기를 사용할 경우, 매우 높은 전류가 발생하는 대부분의 전류 감지 응용 제품에 정밀도 레벨이 적합하지 않을 수도 있습니다. 이러한 응용 제품을 위해 제조업체에서는 저항기 내에서 켈빈 연결을 구현하는 4단자 션트 저항기를 제공합니다. 제조업체는 켈빈 연결을 통합함으로써 켈빈 연결과 관련된 모든 허용 오차 범위 및 온도 계수를 완벽하게 제어할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 4단자 션트 저항기는 감지 연결을 션트 저항기에 매우 가깝게 배치하여 고정밀 켈빈 연결을 구현합니다. 4단자 전류 션트 저항기의 예제 이미지가 오른쪽에 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Bourns)

켈빈 연결을 사용하는 4단자 전류 감지 저항기에는 저항기를 통해 흐르는 높은 전류와 전압 측정을 위한 별도의 단자가 있어 측정 정확도를 향상시킵니다. 또한 켈빈 연결이 내장된 4단자 션트 저항기를 사용하면 회로 기판 레이아웃을 사용하여 켈빈 연결을 구현하는 2단자 션트 저항기에 비해 향상된 온도 안정성을 제공하여 TCR 효과를 줄일 수 있습니다.

Bourns는 CSS4 표면 실장 장치 계열에 다양한 4단자 션트 저항기를 제공합니다(그림 6).

그림 6: Bourns의 CSS4 표면 실장 션트 저항기에서는 4단자 켈빈 연결을 사용하여 전류 측정 정확도를 최대화합니다. (이미지 출처: Bourns)

Bourns CSS4 계열의 대표적인 구성품에는 1%, 5W, 0.5mΩ CSS4J-4026R-L500F 및 1%, 4W, 2mΩ CSS4J-4026K-2L00F 션트 저항기가 포함됩니다. 두 장치 모두 낮은 TCR, 낮은 열 EMF, 10mm x 7mm보다 작은 물리적 실장 면적을 제공합니다.

결론

전류 흐름을 측정하는 첫 번째 단계에서는 전류를 보다 쉽게 측정되는 전압 파라미터로 변환합니다. 전류 션트 저항기는 이러한 작업을 수행하는 저렴한 부품입니다. 그러나, 그림에 표시된 것처럼 회로에 미치는 영향과 저항기 자체의 전력 소비를 최소화하려면 션트 저항기의 값이 낮아야 합니다.

전류 션트 저항기의 다른 중요 파라미터로는 TCR과 열 EMF가 있습니다. 이 두 파라미터는 전류 측정 정확도에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

마지막으로, 측정 정확도를 최대화하려면 2단자 전류 감지 저항기에 대한 켈빈 연결을 생성하는 특수 인쇄 회로 기판을 사용하거나 4단자 전류 감지 저항기를 사용하여 감지 경로 밖에 있는 전류 감지 저항기를 통과하는 전류를 높게 유지해야 합니다.

저항값이 낮으면 전류 감지 저항기에서 발생하는 전압이 작다는 것을 의미하므로 이 기사의 2부에서는 ADC에서 쉽게 측정할 수 있도록 낮은 전압을 높은 전압으로 증폭하는 AFE를 설계할 때 고려할 사항에 대해 설명합니다.

참고 자료:

1. Pini, A.(2018). 전류 감지 증폭기를 효과적으로 선택 및 적용하여 전력 관리의 효율성 향상 DigiKey 기사 라이브러리.