전류 측정의 기초: 2부 - 전류 감지 증폭기

편집자 주: 이 2부작 시리즈의 1부에서는 전류 감지 저항기의 미묘한 차이에 관해 설명했습니다. 2부에서는 저항기 전반에서 발생한 전압을 사용 가능한 수준으로 높이기 위한 증폭기의 설계 및 사용을 설명합니다.

션트라고도 불리는 전류 감지 저항기는 전류 흐름을 측정하기 위해 선택하는 기술입니다. 전류 흐름에 부정적인 영향을 미치지 않도록 비례적으로 낮은 전압을 생성하는 작은 값을 갖고 있습니다. 그 결과 설계자는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통한 업스트림 변환을 위해 이 낮은 전압을 증폭하는 회로망을 사용해야 합니다.

션트 저항기 전반의 낮은 전압은 일반적으로 수십 또는 수백 밀리볼트에서 볼트 또는 수십 볼트로 높아져야 합니다. 이 작업은 보통 연산 증폭기 또는 전류 감지 증폭기로 수행됩니다. 전류 감지 증폭기는 이득 설정을 위해 레이저로 트리밍된 정밀한 저항기 네트워크가 장치에 통합된 특수 연산 증폭기입니다. 일반적으로 증폭기 전압 이득은 20에서 60 정도이며 값이 더 커질 때도 있습니다.

전류 감지 증폭기에는 전류 션트 저항기가 동일한 패키지에 포함되거나 포함되어 있지 않을 수 있습니다. 고전력 응용 분야의 경우 열을 생성하는 내전력으로 인해 외부 션트 저항기가 선호됩니다.

전류 흐름 모니터링을 위한 가장 일반적인 신호 체인 구성에는 션트 저항기, AFE(아날로그 프런트 엔드), 아날로그 디지털 컨버터, 시스템 컨트롤러가 포함됩니다(그림 1). 연산 증폭기 또는 전용 전류 감지 증폭기 등의 AFE는 션트 저항기에서 발생한 작은 차동 전압을 ADC에 사용할 수 있는 전압으로 변환합니다.

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

기본적으로 로우사이드 및 하이사이드 전류 측정을 위해 션트 저항기를 회로에 배선하는 데는 두 가지 방법이 있습니다. 두 접근 방법 모두 장단점이 있습니다.

로우사이드 전류 측정

로우사이드 전류 측정은 전류 션트 저항기를 활성 부하와 접지 사이에 배치합니다. 로우사이드 전류 측정에 가장 적합한 회로는 그림 2에 표시되어 있습니다. 이 회로는 Texas Instruments의 INA181 전류 감지 증폭기를 사용하지만 여러 다른 증폭기도 로우사이드 측정에 사용할 수 있습니다.

그림 2: Texas Instruments의 INA181을 사용하는 로우사이드 전류 측정 회로는 전류 감지 저항기를 활성 부하와 접지 사이에 배치합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

로우사이드 전류 측정은 전류 션트 저항기 전반의 감지 전압이 접지 레퍼런스이므로 구현이 간편합니다. 이 구성을 이용하면 감지되는 전압이 접지 레퍼런스보다 살짝 높은 밀리볼트 정도이므로 전류 감지 증폭기가 저전압 부품이 됩니다. 이 구성에서 감지 전압은 더 높은 전압을 이용하지 않으므로 공통 모드 제거가 필요 없습니다. 로우사이드 측정 방법은 구현하기에 가장 간편하고 비용이 가장 저렴한 방법입니다.

로우사이드 전류 측정의 단점은 션트 저항기의 배치로 인해 부하가 더 이상 접지 레퍼런스되지 않으므로 부하의 로우사이드가 접지보다 몇 밀리볼트 높게 나타난다는 점입니다.

부하와 접지 사이에 단락이 발생할 경우 접지 레퍼런스가 없다는 점이 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어, 모터같이 금속으로 싸인 부하가 접지 레퍼런스 케이스에 권선 단락되는 경우를 들 수 있습니다. 전류 감지 저항기는 이러한 단락을 감지하지 못할 수도 있습니다.

또한 로우사이드 측정에서는 증폭기의 공통 모드 입력 전압에 접지를 포함해야 합니다. 이는 양극 및 음극 전원 공급 장치에서 실행되는 증폭기의 경우 문제가 되지 않지만 단일 공급 장치인 경우 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 접지가 포함된 공통 모드 전압 범위는 로우사이드 측정을 위해 적합한 증폭기를 선택할 때 중요한 기준이 됩니다.

로우사이드 전류 측정 시 주의해야 할 중요한 측면이 하나 더 있습니다. 그림 2에 표시된 Texas Instruments ADS114 ADC는 접지에 직접 레퍼런스되었으며 ADC의 로우사이드 입력 노드는 INA181 전류 감지 증폭기의 입력 접지 레퍼런스 연결과 가깝게 놓여 있습니다.

높은 부하 전류가 통과하는 낮은 저항 션트 저항기 전반에서 발생한 낮은 전압을 이용해 전류를 감지하기 위해서는 모든 접지가 동일한 위상에 있지 않을 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 접지 네트워크 또는 접지면에 수많은 전력 응용 제품과 연결된 높은 전류가 흐를 경우 시스템의 한 접지점과 다른 접지점 간에 수 밀리볼트의 차동이 쉽게 발생합니다. 예방책으로, 관련 접지 레퍼런스 사이의 전압 차이를 최소화하기 위해 항상 접지 레퍼런스를 서로 가까이에 배선하십시오.

이 오차의 근원을 제거하려면 ADC의 접지 레퍼런스 핀이 전류 감지 저항기의 로우사이드와 전류 감지 증폭기의 로우사이드 입력에 가깝게 연결되어야 합니다. 단순히 연결점을 접지면의 편리한 부분에 두어서는 안됩니다. 주의를 더하기 위해, 회로도에 이 요구 사항을 직접 기입하고 접지 레퍼런스에 대해 별형 연결을 표시하여 해당 지점을 강조하십시오.

마찬가지로, 전류 감지 저항기 전반의 전압이 낮을 경우 전류 감지 증폭기의 입력 오프셋 전압이 증폭 정확도에 불균형하게 영향을 미칩니다. 따라서 입력 오프셋 전압이 매우 낮은 증폭기를 선택하는 것이 가장 좋습니다. 위의 그림 2에서 표시된 INA181 증폭기의 입력 오프셋 전압은 공통 모드 전압이 없는 로우사이드 측정 구성에 대해 ±150마이크로볼트입니다.

몇몇 단점에도 불구하고 이 로우사이드 전류 측정 구성은 부하를 접지 레퍼런스할 필요가 없고 부하와 접지 사이의 내부 단락이 문제가 되지 않거나 전류 측정 회로망에서 감지할 필요가 없는 경우에 유용합니다.

하지만 기능 안전 요구 사항을 충족해야 하는 설계의 경우 하이사이드 전류 측정 기술이 더 좋습니다.

하이사이드 전류 측정

하이사이드 전류 측정은 Texas Instruments의 INA240 전류 감지 증폭기를 AFE로 사용해 그림 3에서 표시된 것처럼 션트 저항기를 전원과 활성 부하 사이에 삽입합니다. 이 장치의 공통 모드 입력 전압은 공급 전압을 크게 초과할 수 있어 하이사이드 전류 측정에 적합합니다.

그림 3: 하이사이드 전류 측정 회로는 전류 감지 저항기를 전원과 활성 부하 사이에 배치합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

하이사이드 전류 측정에는 로우사이드 측정과 비교하여 두 가지 주요 장점이 있습니다. 먼저, 발생하는 단락 전류가 전류 션트 저항기를 통과해 흐르면서 저항기 전반에 전압을 발생시키므로 부하에서 접지 쪽으로 발생하는 단락을 쉽게 감지합니다. 다음으로, 이 측정 기술은 접지 레퍼런스되지 않으므로 접지면을 통과해 흐르는 높은 전류에서 발생한 차동 접지 전압이 측정에 영향을 미치지 않습니다. 하지만 영향을 미치지 않더라도 ADC의 접지 레퍼런스 연결을 증폭기의 접지에 가깝게 주의하여 배치하는 것이 좋습니다.

하이사이드 전류 측정 기술에는 한 가지의 주요한 단점이 있습니다. 위에서 설명한 바와 같이 전류 션트 전반에서 발생한 낮은 전압이 부하 공급 전압보다 약간 낮게 흐르므로 전류 감지 증폭기의 공통 모드 제거율이 높아야 합니다. 시스템 설계에 따라 이 공통 모드 전압은 상당히 클 수 있습니다. 그림 3에 표시된 INA240 전류 감지 증폭기의 공통 모드 범위는 -4V ~ 80V로 넓은 편입니다.

이득 저항기 통합의 장단점

그림 2와 3에서는 로우사이드 및 하이사이드 전류 측정 구성을 보여주며 둘 모두 통합 이득 설정 저항기가 포함된 전류 감지 증폭기를 사용합니다. 이러한 통합 저항기는 설계 단순화, 기판 부품 감소, 레이저 트리밍된 이득 정확도를 포함한 수많은 설계 장점을 제공합니다. 그러한 증폭기를 사용하는 데 따르는 중대한 단점 하나는 이득이 공장에서 영구적으로 설정된다는 점입니다. 영구적 이득 설정이 해당 응용 제품에 적합하다면 이는 문제가 되지 않습니다. 하지만 션트 저항기의 값이 다른 기준을 충족하도록 선택되어 있어 응용 제품에 고유한 이득이 필요한 경우, 별도의 저항기가 결합된 연산 증폭기를 선택하는 것이 좋습니다.

그림 4는 Microchip Technology의 MCP6H01 연산 증폭기 및 별도의 이득 설정 저항기를 기반으로 한 하이사이드 전류 측정을 위한 전류 감지 증폭기 회로를 보여줍니다.

그림 4: 별도의 저항기와 연산 증폭기를 사용한 하이사이드 전류 측정 구성입니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

이 회로에서 증폭기 이득은 R₂를 R₁로 나눈 비율로 설정됩니다. 또한 R₁* = R₁, R₂* = R₂이며 전류 션트 저항기 R_SEN은 R₁ 또는 R₂보다 훨씬 더 작아야 합니다. 전류 션트 저항기의 값은 매우 높은 전류 응용 제품이라도 일반적으로 밀리옴 정도거나 아주 낮은 값의 밀리옴이므로 일반적으로 이는 문제가 되지 않습니다.

그림 4의 방정식은 연산 증폭기와 별도의 저항기를 사용하려면 내부 이득 설정 저항기와 함께 전류 감지 증폭기를 사용할 때보다 약간 더 높은 부품 사양이 필요하다는 것을 분명히 보여줍니다.

결론

전류 감지 증폭기는 션트 저항기에서 발생한 낮은 전압을 ADC 변환에 더 적합한 큰 전압으로 변환해줍니다. 이용할 수 있는 전류 감지 측정 유형은 로우사이드 및 하이사이드 두 가지입니다. 로우사이드 측정은 부하와 접지 사이에 전류 감지 저항기를 삽입하는 반면 하이사이드 측정은 전원 공급 장치와 부하 사이에 전류 감지 저항기를 삽입합니다. 로우사이드 및 하이사이드 측정 구성 모두 장단점이 있으므로 주어진 해당 응용 환경을 충분히 고려한 후 선택해야 합니다.

전류를 측정할 경우, 공장에서 이득이 설정되고 레이저 트리밍된 통합 저항기를 사용하는 특수용 전류 감지 증폭기를 사용하거나 적합한 연산 증폭기와 별도의 저항기를 사용할 수 있습니다. 첫 번째 선택은 기판 부품의 개수를 줄여주고 AFE의 설계를 단순화합니다. 그러나 특정 값의 션트 저항기와 ADC 입력 전압 범위를 수용하기 위해 AFE 설계에 맞춤형 이득이 필요하다면 두 번째 선택이 더 적합합니다.