（ヒューズではなく）スマート電流センシングおよびモニタリング技術を選択して適用する方法

従来、過電流状態からの設計の保護には、インラインヒューズの追加が伴いました。これらは本質的に抵抗であり、それらを通して過電流が流れると発熱して溶融し、開回路を起こして電流を遮断します。しかし、ヒューズは洗練されていないソリューションであり、特に遠隔地では、ヒューズの交換は時間とコストがかかる可能性があります。

より洗練されたソリューションは、可能性のある過電流状態が起こる前にそれを検出し、適切な予防策を取るために、リアルタイムで電流をモニタすることです。この記事では、過電流検出システムを構成する根本的な原理と要素、誤差の原因と回避方法、その使用例について考察します。

電流モニタリング技法

測定される電流のタイプ（ACまたはDC）および大きさに応じて、電流をモニタするいくつかの手法があります。

直接測定では、測定される電流は、シャント抵抗またはトランジスタである可能性がある測定デバイスを通って流れます。この方法は、高精度の小型で低コストのソリューションを実現し、可能な限り通常好まれる方法です。

多くのアプリケーションでは、通電導体と測定デバイス間でガルバニック絶縁を提供する間接的な電流測定が必要です。間接的方法は、コイル内の電流によって引き起こされる磁界などの電流関連パラメータを測定します。

この技法は高精度が可能ですが、非常に複雑でコストがかかるため、ほとんどの過電流アプリケーションでヒューズの代替と見なすことはできません。代わりに、センシング素子として電流センス抵抗またはパワーMOSFETを使用する3つの直接測定方法について考察します。

確かに、もう1つのレベルの洗練さを加えると、BOMコストが増加する可能性がありますが、わずかなコストで機能を追加するのに使用できる、使用されていないマイクロコントローラ容量などの回路がすでに利用できる場合があります。他の場合では、ヒューズを交換するために遠隔地へ行く手間が省けるならば、総所有コスト（TCO）を考慮することで、追加のコストを価値のあるものとすることができます。

電流センス抵抗を使用した直接測定

最もシンプルな直接のアプローチは、簡素性と直線性の利点を持つ直接的な方法であるシャント（直列）電流センス抵抗で電流を測定することです。抵抗にわたる電圧は、オームの法則のV = I x Rに従って電流の大きさを表します。

車載用電池管理などの高電流高精度アプリケーション向けに、Vishayは、WSBS8518L1000JKなどの専門のシャント抵抗を提供します。この製品は、スタンドアロン部品として使用するか、またはモールドエンクロージャ（WSBM8518L1000JK）に統合することができ、容易なプリント基板接続を実現します（図1）。

図1：最もシンプルな直接のアプローチは、Vishay DaleのWSBS8515L100JKディスクリート高精度シャント抵抗（上部の画像）または関連エンクロージャ（下部の画像）などのシャント（直列）電流センス抵抗で電流を測定することです。（Vishay Dale提供の画像）

エンクロージャには、標準のMolexコネクタに嵌合する4ピンメスレセプタクルが組み込まれています。抵抗値は100μΩと低く、インダクタンスは5nH未満で、抵抗温度係数（TCR）は±20ppm/°C未満である可能性があります。

ハイサイドおよびローサイド検出

シャント抵抗を使用する時は、負荷とリターン間（ローサイドセンシング）または負荷と電源間（ハイサイドセンシング）のいずれかにシャント抵抗を挿入できます。 ローサイドセンシングは、シャント抵抗がグランド基準で、標準オペアンプを使用してバッファできるため、簡素性と低コストという利点があります。 1つの短所は、負荷のローサイドで開回路または短絡をローサイドセンサが検出できないことです。また、シャント抵抗はグランドパスで抵抗を追加し、これはアプリケーションによっては許容できない場合があります。

ハイサイドセンシングではグランド妨害が発生しませんが、シャント抵抗の両側にコモンモード電圧があり、標準オペアンプのコモンモード範囲を超えたり、電源電圧を超えたりする可能性があります。

シャント抵抗IC

Texas InstrumentsのINA300電流センスコンパレータなどの、過電流状態を検出するように特に設計された多くのICがあります。INA300は5V電源で動作しますが、最大36Vのコモンモード電圧に対応できます。過電流閾値は調整可能で、D/Aコンバータ（DAC）または外付け抵抗のいずれかで設定できます。応答時間は10μsと100μsの間で変えることができます。アラート出力ピンは、入力状態（透過モード）に従うか、または過電流状態に続いてラッチします。ラッチモードでは、システムマイクロコントローラは、アラートの受信を確認するためにラッチをクリアします。

図2：Texas InstrumentsのINA300は、プログラム可能な閾値電圧と応答時間を含む多くの機能を備え、過電流状態から保護します。（Texas Instruments提供の画像）

どの電流制御アプリケーションでも、システムマイクロコントローラの内部の基準値と電流を比較することで過電流検出を組み込むことができますが、産業用モータ制御やDC/DCコンバータなどのアプリケーションによっては、ダウンストリームコンポーネントへの損傷を回避するのに高速過電流検出が必要な場合があります。

図3は、別々の高速保護回路を備えた電流制御システムを示します。Analog DevicesのAD8211は、シャント抵抗にわたる電圧を増幅し、制御ループにフィードバック信号を供給します。このデバイスはコモンモード電圧を最大65Vまで除去し、A/Dコンバータ（ADC）に接続するのに適したグランド基準のバッファ出力を提供します。

図3：AD8211およびAD8214はともに、過電流状態に100ns未満で応答できる電流モニタリングおよび検出システムを形成します。（ Analog Devices Inc.提供の画像）

保護機能は、Analog Devicesのもう1つの部品であるAD8214によって提供されます。これは、高速応答、高コモンモード電圧、電流シャントコンパレータで、過電流検出信号をわずか100nsで提供することができます。AD8214は内部のツェナーレギュレータを備えており、最大65Vの電源電圧で動作することができます。

誤差の原因

低電流アプリケーションでは、コストを最小限に抑えることができ、電流を測定するシャントとして標準のパワー抵抗を使用できますが、シャントの許容誤差は過電流検出の精度に直接影響を及ぼします。抵抗値が大きいほど信号の大きさは増しますが、より多くの熱が発生し、ヒートシンクやその他の熱管理方法が必要になる場合があるため、追加のコストが発生する可能性があります。

図3に示すように、シャント抵抗を制御システムの一部として使用する場合、電圧信号のダイナミックレンジが大きくなるため、低い許容誤差で、低い抵抗温度係数（TCR）の高精度抵抗が好まれます。 

Rds_(ON)に基づく電流センシング

過電流状態を検出する別の方法は、シャント抵抗を排除し、パワーMOSFET自体をセンシング素子として使用することです。図4は、短絡保護を含むInfineonのAUIR3200S MOSFETドライバを示します。

図4：AUIR3200Sは、過電流検出と温度補償を内蔵するMOSFETドライバです。（Infineon Technologies提供の画像）

このデバイスは、パワーFETにわたる電圧降下を検出します。これは、負荷電流とFETのRDS_(ON)の関数です。MOSFETがターンオンすると、ソースでの電圧V_Sは、次の式で求めることができます。

V_SはAUIR3200Sのソースピン(S)への入力で、基準電圧V_DSと比較されます。

I_VDSは内部の電流源で1mAに設定されるため、R_VDSはV_DSの値を効果的に決定できます。また、特に車載用アプリケーションにおいてV_BATは変わる可能性がありますが、2つの電圧の比較に影響を及ぼしません。

過電流状態が起こると、V_SがV_DSを上回り、これにより内部コンパレータがトリガされ、MOSFETがターンオフされます。

誤差を低減するには、R_VDSに低許容誤差値を選択する必要があります。パワーMOSFETのRDS_(ON)の値はドレイン電流の影響を比較的受けませんが、接合温度TJが高くなると増加します。これを補償するために、正の温度係数がAUIR3200SのI_VDS電流源に組み込まれています。AUIR3200Sは、2つのデバイスの温度を等しくするのに役立つように、できるだけMOSFETの近くに実装する必要があることに留意してください。

高電流アプリケーションでの直接測定

高電流アプリケーションでは、シャント抵抗は、特に車載ボンネット下モジュールなどの高温環境において、非常に多くの熱を追加するため実行可能ではない可能性があります。このような場合、電流シェアリングMOSFETがソリューションとなり、低損失の電流測定方法を提供する可能性があります。 

電流シェアリングMOSFETはどのように機能するのでしょうか。現代のパワーMOSFETは、全体的なオン抵抗（RDS_(ON)）を最小限に抑えるために、並列に接続された数千の同一トランジスタセルを構成します。電流センシングMOSFETは、これらの並列セルのごく一部を使用して、共通のゲートおよびドレインを持ち、SENSEピンとして引き出される別々のソースを有する、パワーデバイスから絶縁された（senseFETとも呼ばれる）第2の低電力MOSFETを形成します。図5は等価回路を示します。

図5：高電流アプリケーションでの直接測定に使用できる電流センシングMOSFETの等価回路。（NXP Semiconductors提供の画像）

メインパワートランジスタがターンオンすると、SENSEピンは、メイン電流負荷の電流に比例する（標準比率は1:500すなわち0.2%）電流I_SENSEを出力します。

図6に、電流センシングMOSFETで使用される代表的な回路を示します。デュアルオペアンプ回路は、I_SENSEを、システムマイクロコントローラの電圧入力に変換します。

図6：システムマイクロコントローラへの電流シェアリングMOSFETのインターフェース。（NXP Semiconductors提供の画像）

IXYSが提供するIXTN660N04T4は、高電流アプリケーションでのnチャンネル電流センシングFETの例です。このデバイスは660Aまでのドレイン電流を処理できます。

電流モニタリング回路の精度はR_SENSEの許容誤差に依存しますが、ヒューズ交換での使用では、5%または10%は十分です。標準的な電流センスFETのセンス出力は±5%の変動を示しますが、その性能は過電流または短絡の状況には十分です。図6の電流信号V_OUTは本質的にアナログであり、A/Dコンバータ（ADC）入力に接続しますが、代わりにデジタル過電流信号を生成するように外部回路を簡単に変更することができます。

結論

過電流および短絡保護のために、設計者には、シンプルなヒューズ以外の多くのオプションがあります。もう1つのレベルの洗練さを追加すると、BOMコストが増加する可能性がある一方で、総所有コスト（TCO）を考慮することで、追加のコストが価値のあるものになり、製品の全寿命にわたって総コストを低減させることができます。