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8月 22, 2018

現在の電子工学は、10年前と比べてかなり多い機能を取り込んでいます。エンジニアに対しては、高度なシステムを設計しながらも、エネルギー効率保持のため厳しいパワーバジェットに適合するよう創意工夫がたびたび要求されます。予測システムメンテナンスや保護では、システムが素早く反応することが必要です。こうしたことを可能とする中枢機能の一つが、システム全体での電力消費量と電圧降下の監視です。

現在のあらゆる検出方法の中で最も一般的なものは、アンプを使ったシャント全体での電流のモニタリングです。電流検出は、電流検出アンプ（CSA）またはオペアンプ（OPアンプ）と外付けゲイン設定抵抗回路のいずれかを使用して実施できます（図1）。どちらを使うかは、性能要件ならびに部品表（BOM）の目標コストによります。

図1（a）　外付けゲイン設定抵抗とオペアンプの回路図1（b）　電流検出アンプ

性能の観点から言えば、ゲイン設定抵抗間の不整合は電流測定精度に影響し、結果的にはシャントサイズに影響を及ぼします。他の設計上の考慮点は、デバイスの仕様（入力オフセット電圧、コモンモード除去、ゲイン誤差）、シャントサイズ、シャント位置、PCBのレイアウトです。今後のブログでは、その各々について掘り下げていきたいと思います。今回は、これを高い視点から見てみましょう。

今回4種類のアンプ（LM358、NCS20081、NCS333、NCS214R）を取り上げ、汎用アンプから高精度アンプ（図2および図3の左から右）の範囲全体における性能上の利点を比較対照しました。

NCV214Rは、ゲイン設定抵抗を集積して、整合性と共通モード性能を高めています。他のアンプでは外部抵抗ネットワークが必要となります。性能を比較するために、LM358、NCS20081、NCS333に良く整合した抵抗ネットワークを用いていると仮定しましょう。NCS214Rで最も精度が高くなり（図2）、高効率のソリューションが得られました（図3）。

図2：固定のシャント降下（例：50mV）の場合、オフセット誤差は数桁の差がある。

図3：システム効率を最大化するように設計すると、固定のオフセット誤差の場合、シャント降下を小さいほど電力損失が減少する。

BOMコストの視点から言えば、汎用オペアンプ（$0.10以下）を用いてコストを削減したとしても、良好な整合の抵抗ネットワークはコスト削減分を帳消しにするほど高価となるでしょう（約$1）。電流検出アンプは高価であると考えられていますが、トータルソリューションのコストを比較すると、オペアンプのソリューションよりも安くなることが多いのです。

しかし、ちょっと待ってください。もう一つメリットがあります。それはソリューションのサイズです。オペアンプに外付け抵抗ネットワークを付加した場合、uQFNまたはSC70パッケージのNCS21xRの面積よりも大きくなります。

詳細については、当社の電流検出アンプ製品ページをご覧ください。電流検出に関するご質問は当社のテクニカルサポートにお問い合わせください。