신뢰할 수 있고 정확한 자동차 전류 감지를 위한 최적화된 증폭기 사용

전자 시스템이 자동차 응용 분야에 널리 확산됨에 따라, 전류 흐름을 계속해서 실시간으로 측정하는 것은 임박한 과전류 상태를 모니터링하고, 회로 및 시스템 결함과 고장을 감지하며, 제어 루프 성능을 최적화하기 위한 지속적인 피드백 신호를 제공하는 데 매우 중요합니다.

전류 흐름을 측정하는 다양한 기술과 부품이 존재하지만, 션트(감지) 저항기 양단의 전압 강하를 측정하는 방식은 개념적으로 단순하면서 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 이는 정확성, 정밀성, 반복성, 편의성, 작은 크기, 유연성 및 적응성을 제공합니다.

이 감지 저항기는 전원 공급 레일과 부하 사이(하이사이드 감지) 또는 부하와 접지 사이(로우사이드 감지)에 배치할 수 있습니다. 각 배치는 성능, 감지된 전류 흐름에 미치는 영향, 저항기 양단에 배치된 전압 증폭기의 요구 사항 등 여러 요소에서 상충 관계를 제공합니다. 연결된 전류 감지 증폭기(CSA)는 특히 까다로운 자동차 작동 환경을 고려할 때 이 역할에서 최적의 기능을 발휘하기 위해 응용 분야별로 중요한 특성을 갖춰야 합니다.

이 기사에서는 하이사이드 및 로우사이드 전류 감지 방식과 설계자가 각 방식에서 직면하는 문제를 검토합니다. 그런 다음 onsemi의 CSA 제품군을 소개하고, 이를 활용하여 이러한 문제 대다수를 해결하는 방법을 설명합니다.

두 가지 감지 저항기 구성

부하와 직렬로 배치된, 알려진 값의 고정 저항기 양단 전압을 감지하면 옴의 법칙을 직접 적용하여 전류를 계산할 수 있습니다(전류 = 전압/저항(I = V/R)). 감지 저항기의 로우사이드(그림 1, 왼쪽) 배치든 하이사이드(그림 1, 오른쪽) 배치든 측정값의 무결성에 직접적인 영향을 미치지는 않지만, 시스템 수준에서는 여러 가지 중요한 의미를 지닙니다.

그림 1: 부하와 접지 사이에 저항기가 배치된 로우사이드 저항기 기반 전류 감지(왼쪽), 소스 레일과 부하 사이에 저항기가 배치된 하이사이드 감지(오른쪽)(이미지 출처: onsemi)

이 감지 저항기는 션트 저항기라고 불리지만, 이는 잘못된 명칭입니다. 진정한 션트 저항기는 부하와 병렬로 배치되어 일부 전류가 부하를 우회하여 저항기를 통과하도록 합니다. 그러나 기본적으로 사용되는 전류 감지 저항기는 실제로 부하와 직렬로 배치되며, 부하를 션트하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 '션트 저항기'라는 용어는 보편적으로 사용됩니다.

로우사이드 감지는 개념적으로 가장 직접적인 접근 방식으로, 저항기의 한쪽 끝은 접지에 연결되고 다른 쪽은 부하의 로우사이드에 연결됩니다. 이 방식은 다음과 같은 몇 가지 명확한 이점을 제공합니다.

• 저항기 양단의 전압은 접지를 기준으로 합니다.
• 두 증폭기 단자에서 저항기 양단의 전압(공통 모드 전압)은 낮습니다.
• 단일 전원 공급 회로에 설계하기가 상대적으로 쉽습니다.

그러나 로우사이드 감지 방식에는 피할 수 없는 문제점이 존재합니다.

• 부하가 더 이상 접지되지 않아 시스템 수준에 중대한 영향을 미칠 수 있으며, 감지된 전류 값을 사용하는 제어 루프의 성능에 영향을 줄 수 있습니다.
• 부하와 접지 간에 우발적인 단락이 발생하면 부하가 활성화될 수 있습니다.
• 감지 배열로 인해 접지 루프가 발생할 수 있습니다.
• 단락으로 인한 높은 부하 전류는 감지되지 않습니다.

하이사이드 감지 방식은 저항기를 전류원과 접지 사이에 배치하여 다음과 같은 이점을 제공합니다.

• 부하가 접지되어 있다는 중요한 장점이 있으며 이는 종종 안전을 위한 요구 사항입니다.
• 모터와 같은 부하의 본체는 물리적 및 전기적으로 시스템 섀시에 공통 접지로 연결될 수 있습니다.
• 측정되는 부하의 접지 경로에 저항을 추가하지 않습니다.
• 전력 연결부에 단락이 발생해도 부하에 전원이 공급되지 않습니다.
• 양극 전원선에서 접지까지의 단락을 감지할 수 있습니다.

그러나 하이사이드 감지 방식에는 다음과 같은 단점이 있습니다.

• CSA는 높은 입력 CMV와 빠른 공통 모드 과도 현상을 견뎌야 합니다. 한계를 초과하면 성능이 저하되고 증폭기가 손상될 수 있습니다.
• 저항기 양단에서 감지된 전압은 측정 및 사용을 위해 시스템 작동 전압에 맞게 레벨 시프트되어야 합니다.
• 일반적으로 필요한 회로 구성을 구현하는 것이 더 복잡합니다.

대개 어느 쪽이 더 나은지에 대한 결정은 엔지니어링 트레이드오프를 평가하는 과정이 수반됩니다. 그러나 하이사이드 감지 방식이 유일하게 실행 가능한 선택인 경우가 많습니다.

예를 들어 자동차와 자동차의 다양한 전기적 부하(예: 모터)를 고려해 보겠습니다. 일반적인 최신 자동차에는 오토매틱 윈도우 및 시트 위치 제어와 같은 보조 기능을 위한 모터가 최소 30개 포함되어 있습니다. 이들 중 상당수는 전기적 접지 역할을 수행하기도 하는 차량 프레임, 지지 브래킷 또는 섀시에 물리적으로 실장됩니다.

이러한 부하를 차량의 구조적 요소로부터 전기적으로 절연하는 것은 가능하지만, 실제로 구현하기는 어렵습니다. BOM(부품 명세서)에 추가 부품이 필요하고, 추가적인 제조 공정이 요구되며, 절연체가 시간이 지나면서 마모되거나 부품 교체 시 실수로 빠질 수 있기 때문입니다. 또한 정비사가 모터 본체를 섀시에 잠시 접촉시켜 해당 회로를 단락시킬 수도 있습니다.

ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 기능, 안전 및 충돌 하위 시스템, 경보 장치, 엔터테인먼트 및 연결 콘솔과 같은 비모터 부하에도 동일한 고려 사항이 적용됩니다. 또한 비접지 부하의 경우 부하에서 배터리로 연결되는 복귀 경로 케이블 하네스가 더 복잡해져 고장이나 인적 오류가 발생하기 쉽습니다.

최적화된 증폭기 솔루션

하이사이드 감지가 필수적이거나 선호되는 상황에서는 용도별 증폭기를 사용하는 것이 해결책입니다. 한 예로 onsemi의 NCV7030 제품군에 속하는 AEC-Q100 자동차 등급 NCV7030DM2G014R2G(그림 2) CSA를 살펴 보겠습니다.

그림 2: NCV7030DM2G014R2G CSA는 자동차 환경에서 하이사이드 전류 감지를 위해 설계되었습니다(이미지 출처: onsemi).

Micro8(3mm × 3mm) 또는 SOIC-8(4mm × 5mm)(NCV7030D2G014R2G) 리드 프리 패키지로 제공되는 이 장치는 3V ~ 5.5V에서 작동하며 통상적인 정동작 전류는 1.5mA입니다.

NCV7030 제품군은 85dB(최소)의 높은 입력 공통 모드 제거비(CMRR)와 -6V ~ 80V(작동) 및 -14V ~ 85V(내구 한계)의 공통 모드 입력 전압 범위를 제공합니다. 감지 저항기를 통해 단방향 전류 측정을 수행하고, 전체 온도 범위에서 최대 ±0.3%의 이득 오차로 14V/V의 고정 이득을 제공할 수 있습니다. 이는 가혹한 자동차 환경에서 중요한 사양입니다.

NCV7030 증폭기는 높은 공통 모드 거절비 이상의 성능을 제공합니다. 각 증폭기는 전치 증폭기와 버퍼로 구성되며, '브리징' 핀 A1과 A2를 통해 각각 출력과 입력에 액세스할 수 있어 중간 필터 네트워크를 구현하거나 이득을 조정할 수 있습니다.

또한 우수한 CSA는 높은 CMV에도 불구하고 성능을 유지하는 것 이상의 요소를 포함합니다. NCV7030 장치는 75dB(최소)의 높은 전원 공급 거절비(PSRR)를 특징으로 하여 잡음이 심한 환경에서도 안정적인 작동을 보장합니다. ±300µV(최대)의 낮은 입력 오프셋 전압과 최소한의 온도 드리프트는 정밀 응용 분야에 적합합니다. 또한 100kHz의 대역폭으로 급격히 변화하는 전류에 신속하게 대응합니다.

낮은 입력 오프셋 전압으로 인해, NCV7030 CSA의 출력은 션트 저항기에 전류가 흐르지 않을 경우 접지 기준 50mV 이내에 위치합니다. 전류가 흐를 경우 출력은 양의 방향으로 스윙하며 인가된 공급 전압 기준 100mV 이내까지 상승합니다. 이 넓은 범위는 감지된 전압의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킵니다.

작동상에 한 가지 사소한 제한 사항이 있습니다. NCV7030 증폭기는 내부적으로 접지를 기준으로 하기 때문에 한 방향으로 흐르는 전류만 측정할 수 있습니다. 배터리 구동 및 대부분의 양극 전원 공급 설계는 단방향 전류 흐름만 있기 때문에 이는 심각한 제한 사항은 아닙니다.

설계를 단순화하기 위해, 해당 장치는 모니터링 대상과 동일한 전원 공급 장치에 연결될 수 있습니다. 부하 전원 공급 장치에서 단락 전류를 감지해야 하는 경우(이 경우 부하 전원 공급 장치가 0V 근처까지 강하될 수 있음), 별도의 전원 공급 장치를 사용해야 합니다.

NCV7030 장치는 추가 부품 없이 고정 이득 증폭을 제공하지만, 일부 응용 분야에서는 더 높거나 낮은 이득이 필요할 수 있습니다. 이 증폭기의 아키텍처는 A1 및 A2 핀을 통해 이러한 요구 사항을 수용합니다.

이득을 낮추기 위해 A1을 A2에 연결하고 이 네트에서 접지로 저항기(R_EXT)를 추가하면 내부 100kΩ(킬로옴) 저항기와 함께 저항기-분배기 네트워크가 형성됩니다(그림 3).

그림 3: 단일 외부 저항기(R_EXT)를 추가하면 내부 100kΩ 저항기와 함께 저항기-분배기 네트워크가 형성되어 NCV7030 증폭기의 이득을 줄일 수 있습니다(이미지 출처: onsemi).

반대로, 양의 피드백 구성(그림 4)에 외부 저항기를 추가함으로써 이득을 증가시킬 수 있습니다(그림 4). 두 가지 이득의 경우 모두에서, 간단한 대수 공식이 외부 저항기 값과 원하는 감소 또는 증가된 이득 값의 관계를 나타냅니다.

그림 4: NCV7030 증폭기의 피드백 루프에 외부 저항기를 배치하면 이득이 증가합니다(이미지 출처: onsemi).

필터링의 영향

자동차 및 산업 설비와 같은 여러 전류 감지 응용 분야에서는 본질적으로 잡음이 발생합니다. 이 잡음은 감지된 전류 신호와 관련 증폭기 출력 전압의 무결성을 저하시킬 수 있습니다. 감지 저항기 양단의 낮은 전압은 잡음 관련 문제를 더욱 가중시킵니다.

이 전압이 낮은 이유는 무엇인가요? 감지 저항기의 크기를 결정하는 데에는 상충 관계가 존재합니다. 한편으로는, 저항기의 값이 클수록 전압 강하가 커지고 신호 규모가 증가하여, SNR과 분해능이 향상됩니다. 반면에, 저항기의 값이 크면 더 많은 전력을 소모하고 더 많은 열을 발생시키며 부하 루프에 미치는 부정적 영향도 더 커집니다.

많은 응용 분야에서, 경험적으로 볼 때 첫 번째 기준은 절충안으로 약 100mV의 전압 강하가 발생하도록 저항기 크기를 결정하는 것입니다. 이 값은 저항기가 대부분 1밀리옴(mΩ) 이하임을 의미하므로, 해당 저항기로의 연결은 전압 강하 및 감지된 전압 계산의 일부가 됩니다.

NCV7030 장치의 진정한 차동 입력은 잡음을 줄이는 4선식 켈빈 연결 션트와 기존의 2선식 션트 모두에 적합합니다. 또한 진정한 차동 입력은 로우사이드 전류 감지에서도 많이 나타나는 공통 모드 잡음을 제거합니다.

일부 응용 분야에서는 CSA 입력에 필터링이 필요할 수 있습니다. 이는 션트 저항기와 증폭기 입력 사이에 두 개의 저항기(R_FILT)와 커패시터(C_FILT)를 추가함으로써 쉽게 구현할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 입력 필터링의 경우, CSA에 대한 입력에 2개의 정합 저항기(R_FILT)와 커패시터(C_FILT)만 있으면 됩니다(이미지 출처: onsemi).

이러한 입력 필터링은 필터 저항기의 추가로 발생하는 저항과 이들 간의 저항 불일치로 인해 복잡해지며, 이는 이득, CMRR, 입력 오프셋 전압에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 규격서를 통해 이러한 값을 선택하는 방법과 각각이 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.

입력 필터링이 필요하지 않은 경우에도 증폭기 출력에 대한 필터링이 필요할 수 있습니다. 이 필터링은 NCV7030 증폭기의 '분리형' 내부 구조 덕분에 쉽게 구현할 수 있습니다. A1과 A2를 연결하고 이 구성에서 접지로 커패시터를 추가하면 저역 통과 필터를 만들 수 있습니다(그림 6, 왼쪽). 이렇게 하면 내부 100kΩ 저항기를 사용한 간단한 단극 저항기-커패시터(RC) 필터가 생성되며, 디케이드당 20dB(dB/decade)의 감쇠를 제공합니다. 더 높은 롤오프가 필요한 경우, 두 개의 외부 커패시터와 하나의 저항기를 추가하여 40dB/decade 감쇠를 제공하는 2극 Sallen-Key 필터를 만들 수 있습니다(그림 6, 오른쪽).

그림 6: A1/A2와 접지 사이에 단일 커패시터를 배치하면 20dB/decade의 감쇠를 갖는 단극 필터(왼쪽)가 형성됩니다. 여기에 저항기와 커패시터를 추가하면 40dB/decade 감쇠를 갖는 2극 필터가 생성됩니다(오른쪽)(이미지 출처: onsemi).

결론

소스와 부하 사이에 저항값이 낮은 저항기를 삽입하는 하이사이드 전류 감지 방식은 자동차 회로 등 여러 응용 분야에서 부하 전류라는 핵심 파라미터를 측정하는 표준 기법입니다. 이 방식은 효과적이지만, 관련 CSA의 성능과 관련해 몇 가지 과제도 제기합니다. 위에서 살펴본 바와 같이, onsemi NCV7030 증폭기 제품군은 높은 CMV 허용 오차와 고정 및 사용자 조정 가능한 이득을 제공하는 2단계 설계, 그리고 입력 및 출력에서의 필터링 기능을 통해 이 특정 응용 분야에 최적화되어 있습니다.