高精度なローサイド電流検出回路

■問題

【 LTC2054 】

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，ローサイド(-48Vの負の電源側)に流れる電流(I₁)をR₄の電圧降下で検出して，outから電圧換算でモニタ出力する電流検出回路になります．このI₁が100mAのとき，outのモニタ電圧は(a)～(d)のどれになるでしょうか．
　ただし，図1のD₁が5.1Vのツェナー・ダイオード，M₁がドレイン・ソース間の耐圧が60VのMOSFET，OPアンプがゼロドリフトOPアンプ(LTC2054)となります．

図1　ローサイドの電流を高精度で検出する電流検出回路⁽¹⁾
図1のローサイドの電流(I₁)が100mAのとき，outの電圧は(a)～(d)のどれでしょうか？

(a) 5mV　(b) 10mV　(c) 50mV　(d) 100mV

■ヒント

　図1のOPアンプ(U₁)と抵抗(R₁，R₂)，MOSFET(M₁)は，R₄で検出したローサイドの電流に比例した電流をM₁から出力します．その後，M₁の出力電流をOPアンプ(U₂)と抵抗(R₃)で構成したトランス・インピーダンス・アンプで電圧に変換して，outから出力します．この動作をヒントに，図1の回路定数を使用して解析すると分かります．

■解答

(d) 100mV

　図1の回路動作は次になります．

ローサイドの電流(I₁)はR₄の抵抗で電圧降下を生じる．この電圧降下(V_R4)は，「V_R4=I₁R₄=1mV」になる
R₁の左側の電圧は，R₂の左側の電圧よりV_R4の電圧降下だけ低くなる．このときOPアンプの反転端子と非反転端子には電流は流れず，かつ非反転端子と反転端子はバーチャル・ショートになることから，R₁の電流(I_R1)は「I_R1=V_R4/R₁=10μA」になる
R₁の電流はM₁のMOSFETのドレイン電流(I_D1)になり，「I_D1=I_R1=10μA」となる
I_D1の電流はR₃の抵抗で電圧に変換されて，outから出力する．よって,「Vout=I_D1R₃=100mV」になる

　この動作により，ローサイドの電流「I₁=100mA」は，outから電圧換算で「Vout=100mV」としてモニタ出力しています．以上より，(d)が正解になります．

■解説

●抵抗値を低くして高精度なOPアンプを使う
　電源電流の検出は，異常な電流から回路を保護するときに使用されます．電流の検出は，検出抵抗(図1のR₄)で発生する電圧降下を使います．しかし，抵抗値の設定が難しい面もあります．
　具体的には，高い抵抗だと電圧降下も高くなり，電源電圧の変動に繋がります．一方，低い抵抗だと電圧降下が低くなり，電源電圧の変動も低くなります．OPアンプのオフセット電圧(一般に数百μVから数mV)に近づくと，検出抵抗の電圧降下なのか，オフセット電圧なのか判断が難しくなります．
　このようなとき，OPアンプのオフセット電圧が低いゼロドリフトOPアンプを使用します．ゼロドリフトOPアンプは，時間や温度の変化によるオフセット電圧のドリフトが,ほぼゼロになるOPアンプです．図1で使用したLTC2054は，入力オフセット電圧は最大で3.0μV，オフセット・ドリフトは最大で30nV/℃の特性なので，検出抵抗を低くした高精度の電流検出に適しています．

●直流動作点の検討
　図2は，図1と同じ回路ですが，直流動作点の検討と，その後のoutの計算のため，テキストを追記した解説図です．はじめに，図2を使って-48Vの負電源のときに，回路がどのように動作するかを解説します．

図2　図1の直流動作点の解説とoutの電圧を机上計算する解説図

　図2にあるゼロドリフトOPアンプ(LTC2054)のV⁺とV^-間の電源電圧範囲は，データシートより2.7V～6Vです．U₁のゼロドリフトOPアンプは，ツェナ・ダイオード(D₁)の5.1Vを使用し，V⁺とV^-間をデータシートの電源電圧範囲内にしています．また，U₂のゼロドリフトOPアンプは，V₂の5V電源に接続し，同じくV⁺とV^-間をデータシートの電源電圧範囲内にしています．MOSFET(M₁)のドレインとソース間は最大で48Vになります．この電圧が印加されてもMOSFETがブレークダウンしないように，耐圧が60Vの2N7002を使用しています．このような構成にすることにより，-48Vの負電源でも回路が正常に動作します．C₁，C₂，C₃は回路を安定にするコンデンサになります．

●outの電圧の机上計算
　次に図2を使ってoutの電圧を机上計算し，答え合わせをします．図1と同様に，図2ではローサイドの電流をI₁の電流源で表しています．ローサイドの電流(I₁)はR₄の抵抗で電圧降下を生じます．この電圧降下(V_R4)は式1より，I₁が100mAのとき1mVになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　ゼロドリフトOPアンプ(LTC2054)の入力オフセット電圧は，最大で3.0μV，オフセット・ドリフトは最大で30nV/℃の特性なので，仮に回路の温度が85℃のとき，「3μV+30nV*(85-25)=4.8μV」と低いので，式1の1mVの変化を検出できることになります．
　図2のR₁の左側の電圧は，R₂の左側の電圧より式1のV_R4の電圧降下だけ低くなります．このときOPアンプの反転端子と非反転端子には電流は流れず，かつ非反転端子と反転端子はバーチャル・ショートになることから，R₁の電流(I_R1)は式2になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　式2のR₁の電流は，M₁のMOSFETのドレイン電流(I_D1)になり，式3になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　式3のI_D1の電流は，トランス・インピーダンス・アンプのR₃の抵抗で電圧に変換されて，outから出力され，式4になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　これより，ローサイドの電流「I₁=100mA」は，outから電圧換算で「Vout=100mV」として出力されることになり，解答の(d)が正解になります．

●直流動作点とoutの電圧をシミュレーションで調べる
　図3は「.op」解析を使用して，回路の直流動作点をシミュレーションする回路になります．「.op」解析前は波線で囲ったエリアの直流動作点は「???」の表示ですが，「.op」解析後は図3のように直流動作点が表示されるようになります．

図3　図1の直流動作点を調べる回路
「.op」解析で直流動作点をシミュレーションし，回路図に結果を表示している．

　図3の直流動作点より次のことが分かります．

OPアンプ U₁のV⁺とV^-間の電圧：V(v+)-V(v-)=5.07V，OPアンプデータシートの電源電圧範囲内
MOSFET(M₁)のドレインとソース間の電圧：V(d)-V(s)=48V，MOSFET耐圧 60V以内
R₄の電圧降下：V(sense+)-V(v-)=1mV，式1と同じ
R1の電流：I(R₁)=10μA，式2と同じ
M1のドレイン電流：Id(M₁)=10μA，式3と同じ
outの電圧：V(out)=100mV，式4と同じ

　直流動作点は，前述で検討したものと同じになり，ローサイドの電流(I₁)が100mAのとき，outの電圧は100mVであることが分かります．

●outの電圧変化を調べる
　図4は，ローサイドの電流(I₁)が変化したときのoutの電圧変化を調べる回路になります．具体的にはDC解析を使用し，I₁は0mA～100mA間を1mAのステップでスイープし，outの変化をプロットします．

図4　図1のローサイドの電流(I₁)が線形に変化したときのoutの電圧を調べる回路
I₁は0mA～100mA間を1mAでスイープしている．

　図5は，図4のシミュレーション結果になります．

図5　図4のシミュレーション結果
ローサイドの電流が変化したときのoutの電圧をプロット．

　図5より，ローサイドの電流(I₁)が変化すると，それに比例してoutの電圧も変化するのが分かります．このようにローサイドの電流変化を検出する回路になるのが分かります．

◆参考・引用*文献
(1)アナログデバイセズ：LTC2054のデータシート
　図1は，データシート(1P)の標準的応用例．データシートで使用しているMOSFET「ZVN3320F」のモデルが無いので「2N7002」を代替しています．そして計算を簡単にするため，R₄は0.003Ωから0.01Ωへ変更しています．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_046.zip

●データ・ファイル内容
Lowside Current sense DC Operating Point.asc：図3の回路
Lowside Current sense.asc：図4の回路
Lowside Current sense.plt：図4のプロットを指定するファイル