전류 감지 증폭기를 효과적으로 선택 및 적용하여 전력 관리의 효율성 향상

작성자: Art Pini

Digi-Key 북미 편집자 제공

전력 통합 및 제어는 라인 또는 배터리 전력 공급 전자 장치가 전원 공급 장치 전류를 모니터하여 전력 분배를 제어해야 하는 휴대용 제품, IoT, 자동차 장치 및 시스템에 매우 중요합니다. 전류 감지는 과전류 조건을 방지하고, 접지 장애를 모니터링하고, 전원의 제어를 최적화하여 배터리 수명을 연장하기 위한 핵심 요소입니다. 여기서 문제는 높은 공통 모드 전압에도 불구하고 이러한 측정을 정확하게 수행해야 한다는 점입니다.

CSA(전류 감지 증폭기) 또는 전류 션트 모니터는 이러한 중요 측정을 수행하기 위해 특별히 설계된 차등 증폭기 IC입니다. 전류 측정은 전류 센서로 사용되는 직렬 션트 저항기에서의 전압 강하 계산을 기반으로 합니다. 이러한 션트 및 관련 전류 감지 증폭기의 선택과 배치는 적절한 전력 분배 및 효율에 매우 중요합니다.

이 기사에서는 요구되는 정확도와 비용에 기반한 션트 및 전류 감지 증폭기의 선택 기준을 설명합니다.

저항기 전류 감지

전류를 측정하는 가장 간단한 기술은 전류 션트라고도 하는 작은 저항기를 측정할 전류에 직렬로 삽입하는 것입니다. 전류 감지 저항기를 가로지르는 전압이 측정되고 알려진 저항기의 값을 기반으로 옴의 법칙을 사용하여 전류가 계산됩니다. 이 방법은 단순하고 저렴하며 선형적이라는 장점을 가집니다.

전류 감지 저항기의 선택 조건에는 저항기의 정확성, 저항기의 온도 계수(TCR) 및 전력 등급에 대한 주의가 포함되어야 합니다. 저항 값은 주어진 전류 값에 대한 전압 강하를 결정합니다. 또한 센서 저항기에 의한 내전력도 결정합니다. 일반적으로 감지 저항기의 값은 옴의 분수입니다. 이 응용 제품에는 특수 저항기를 사용할 수 있습니다. 이러한 저항기는 플레이트, 호일, 필름 또는 증착된 박막 또는 후막 하이브리드 요소 형태의 금속 요소를 사용합니다.

금속 요소 표면 실장 션트 저항기의 한 가지 예로 Ohmite MCS3264R005FEZR 전류 감지 저항기(그림 1)를 들 수 있습니다. 이 표면 실장 장치(SMD)는 2W 전력 등급, 50ppm/°C TCR의 2 터미널, 5밀리옴 저항기입니다.

Ohmite MCS3264R005FEZR 션트 저항기의 이미지

그림 1: Ohmite MCS3264R005FEZR은 금속 요소 표면 실장 5밀리옴 션트 저항기입니다. (이미지 출처: Ohmite)

션트 저항기는 4 단자(Kelvin) 구성으로도 주문할 수 있습니다. Kelvin 연결에서 전류는 한 쌍의 소스 연결 단자로 공급됩니다. 두 개의 추가적인 감지 연결(전압 리드)이 션트 저항 바로 옆에 적용됩니다. 전압 리드 배치는 소스 리드 또는 접점과 연관된 전압 강하를 방지합니다. 측정 기기에 전류가 거의 흐르지 않기 때문에 감지 리드의 전압 강하는 무시할 정도입니다. Ohmite FC4TR050FER은 50밀리옴, 4 단자 금속박 전류 션트의 예입니다.

감지 저항기의 값은 저항의 온도 계수로 인해 온도 변화에 따라 달라진다는 점을 염두에 둬야 합니다. TCR이 낮은 저항기 선택, 전력 등급이 높은 저항기 사용 또는 방열판 채택은 온도 효과로 인한 저항 변화를 최소화하기 위한 수단입니다.

전류 감지 증폭기

전류 감지 증폭기는 전류 션트에서 발생한 전압을 감지하고 측정된 전류에 비례되는 전압을 출력하도록 설계된 특수 목적 집적 회로 차등 증폭기입니다. 전류 감지 저항기의 전압은 일반적으로 1 ~ 100밀리볼트 범위지만, 공칭 버스 전압 위상에서 상승할 수 있습니다. CSA는 출력으로부터 버스 전압을 제거하기 위해 공통 모드 제거율(CMRR)이 높습니다. 이러한 장치는 자체 공급 전압을 초과하는 공통 모드 전압을 처리하도록 설계됩니다.

그림 2의 단순화된 전류 감지 증폭기 회로도에 반전 및 비반전 입력과 단일 출력을 가진 일반적인 차등 증폭기가 나와 있습니다.

일반적인 전류 감지 증폭기의 단순화된 회로도

그림 2: 일반적인 전류 감지 증폭기의 단순화된 회로도. 이득은 저항기 R2 - R1 및 R4 - R3의 비율로 설정됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

저항기 값은 CSA의 이득을 설정합니다. 구조는 R1 = R3 및 R2 = R4와 대칭입니다. 이득은 저항기 R2 - R1 및 R4 - R3의 비율에 의해 결정됩니다. 고성능 Texas Instruments INA210CIDCKR, R2 및 R4와 같은 일반적인 CSA 구현은 1메가옴이며, R1 및 R3는 200volts/volt의 이득에 대해 5킬로옴입니다. 증폭기의 이번 버전의 이득 정확도는 0.5%입니다. 이 IC의 정격 공급 전압은 2.7 ~ 26V지만, 최대 공통 모드 입력 전압은 공급 전압에 상관없이 -3V ~ 26V입니다. 이는 CSA를 구분짓는 주요 특성입니다. 입력 오프셋 전압은 35마이크로볼트에 불과하며 CMRR은 일반적으로 140dB입니다.

응용 제품에 따라 더 경제적인 CSA로 Texas Instruments INA180B3IDBVR을 선택할 수도 있습니다. 이 CSA는 공통 모드 입력 전압 범위가 동일하며 20, 50, 100 및 200volts/volt의 이득으로 사용 가능합니다. 이득 정확도는 1%이며 입력 오프셋 전압 100마이크로볼트에서 CMRR은 100dB입니다.

전류 감지 구성

전류 감지 토폴로지에는 하이사이드와 로우사이드 감지의 두 가지가 있습니다. 하이사이드 구성은 전압 소스와 로드 사이에 감지 저항기를 배치하며, 로우사이드 감지는 로드와 접지 사이에 션트를 배치합니다(그림 3).

하이사이드 및 로우사이드 감지 구성도

그림 3: 하이사이드 감지는 소스와 로드 사이에 션트를 배치하며(RSENSE), 로우사이드 감지는 로드와 접지 사이에 배치합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

로우사이드 감지는 접지 레퍼런스로 낮은 입력 공통 모드 전압을 가집니다. 이에 따라 전류 모니터링 증폭기 및 관련 회로망에서 사용하기에 더 용이하며 이로 인해 일반적으로 비용이 절감됩니다.

로우사이드 연결의 단점은 로드가 접지 위로 상승한다는 점입니다. 션트 저항기를 통과하여 흐르는 전류는 전류 값 변화에 따라 시스템 레퍼런스 레벨을 높이거나 낮춥니다. 이로 인해 제어 루프에 문제가 초래될 수 있습니다. 또한 이 회로 구성에서는 션트 저항기 주변 전압 버스의 접지에 대한 단락을 감지할 수 없습니다.

하이사이드 토폴로지의 장점은 로드와 시스템 레퍼런스가 모니터링되는 전류에 독립적으로 접지에서 고정되며 접지에 대한 버스 단락이 쉽게 감지된다는 점입니다.

단점은 측정 회로의 입력에서 버스 전압에 가깝게 공통 모드 전압이 있다는 점입니다. 전류 감지 증폭기의 부하 이외에도 일부 응용 분야에서는 CSA 출력 수준을 시스템 레퍼런스 수준 근처로 낮춰야 할 수도 있습니다.

하이사이드 감지에 관련된 문제로 인해 여러 CSA 제품군의 개발이 촉진되었습니다. INA180 및 INA210은 공급 전압에 독립적으로 -3V부터 26V까지의 공통 모드 전압을 처리할 수 있는 새로운 CSA입니다. 모터 제어, 배터리 모니터링 및 전력 관리 등의 응용 분야를 위해 개발되었습니다. 버스 전압이 더 높은 응용 분야에서는 최대 80V 범위의 입력 공통 모드 전압 범위를 제공하는 다른 CSA를 사용할 수 있습니다. 더 높은 전압의 경우 CSA는 공통 모드 전압에서 증폭기를 격리하기 위한 외부 부품을 사용하거나 격리된 증폭기를 사용해야 합니다.

감지 저항기 값 선택

감지 저항기의 값은 예상 버스 전류 범위에서 저항기의 전압 강하가 CSA 전압 오프셋 및 모든 추가 수직 잡음을 충분히 상회하도록 설정됩니다. 감지 저항기의 전력 등급은 최대 버스 전류 및 최대 전압 강하로 결정됩니다.

최대 2A를 전달하는 12V 버스를 예로 들겠습니다. INA210 CSA를 사용하는 경우 션트에서 전압 강하가 최대 오프셋 전압인 35마이크로볼트보다 커야 합니다.

공통 모드 제거율은 105dB ~ 140dB의 범위입니다. 더 낮은 값(105dB)을 사용하는 12V 버스 위상(공통 모드 전압)은 약 67마이크로볼트로 감쇠됩니다. 이는 CSA 출력에서 증폭기의 이득에 의해 배가되는 오프셋 전압으로 나타납니다. 이 공통 모드 잔류 오프셋은 측정되는 전류 때문이 아니며, 이 경우 잔류는 측정값의 1% 미만이므로 문제가 되지 않습니다.

감지 저항기 값은 전압 강하가 오프셋 전압보다 훨씬 크도록 선택해야 합니다. 이득이 200인 INA210의 출력에서 2V 단극 스윙의 경우 입력은 10밀리볼트여야 합니다. 이는 지정된 공통 모드 잔류 또는 입력 전압 오프셋보다 훨씬 큽니다. 2A의 공칭 최대 전류에서 감지 저항기 값은 5밀리옴이어야 합니다. 션트의 출력비는 명목상 20mW의 예상 최대 전력 손실의 최소 두 배여야 합니다. 앞서 설명한 Ohmite MCS3264R010FEZR은 출력비가 2W이므로 적절합니다.

Texas Instruments TINA-TI 프로그램을 사용하여 이 구성을 시뮬레이션하면 회로의 DC 및 AC 전송 특성을 볼 수 있습니다(그림 4). DC 전송 기능은 1volt/amp의 기울기를 가지는 선형 응답을 보여 줍니다. 이는 2A 최대 전류에 대해 2V 출력을 생성합니다. AC 응답의 대역폭은 20kHz입니다.

Texas Instruments TINA-TI 회로 시뮬레이션 이미지

그림 4: 1volt/amp 기울기의 선형 DC 전송 기능을 보여 주는 5밀리옴 전류 션트를 사용하는 회로의 Texas Instruments TINA-TI 시뮬레이션 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

결론

전류 감지 증폭기는 직렬 션트 저항기의 전압 강하에 기반하여 버스 전류를 측정하도록 특별히 설계되었습니다. 높은 공통 모드 전압이 존재하는 하이사이드 측정에 특히 적합합니다. 이러한 증폭기는 선택이 용이하며, 적절하게 사용할 경우 전기 시스템에서 전력의 측정, 모니터링 및 제어에 탁월한 결과를 제공할 수 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

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Art Pini

Arthur(Art) Pini는 Digi-Key Electronics의 기고 작가입니다. Art는 뉴욕시립대에서 전기공학 학사 학위를 취득하고 뉴욕시립대학교에서 석사 학위를 취득했습니다. 그는 전자 분야에서 50년 이상의 경력을 쌓았으며 Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, Nicolet Scientific에서 주요 엔지니어링 및 마케팅 역할을 담당했습니다. Art는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 임의 파형 생성기, 디지타이저, 전력계와 관련된 측정 기술과 폭넓은 경험에 관심을 갖고 있습니다.

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