高電圧を利用した小信号の測定、およびセンサ接地ループの回避

著者 Art Pini

Digi-Keyの北米担当編集者 の提供

設計者は、高いコモンモード電圧が存在する場合、特に電源およびモータドライブで動作する際に、小さい電圧を測定する必要がよくあります。これは、センサを使用する場合の接地ループの問題に関連しています。両方の問題が絶縁アンプを効果的に使用して解決できるためです。

絶縁アンプは入力と出力間のガルバニック分離を提供するため、必要な信号のみを伝送し、高いコモンモード電圧を除去します。センサベースの監視システムでは、センサ間の接地分離を維持して接地ループを排除します。電源、モータコントローラ、リモート電圧センシング、生物医学的測定、およびリモートデータ取得に共通のアプリケーションがあります。

絶縁アンプが機能し、効果的に適用される方法を説明するために、この記事では、絶縁が必要な一般的なシナリオについて説明してから、3つの一般的な絶縁方法(トランスカップリング、光学カップリング、および静電容量カップリング)について説明します。その過程において、参照設計を使用した最終的な例で、各方法の実用的なソリューションを紹介します。

一般的な電源のシナリオ

最新の電源およびモータドライブでは、高いコモンモード電圧が存在する場合に小さい信号を測定する必要があります。設計者は、FETが300V以上にバイアスされた抵抗シャントを使用して、プッシュプル式FET電源ドライバの負荷電流をどのように測定できますか(図1a)?

プッシュプル式FET電源ドライバの小さい電圧降下の測定の図

図1:高いコモンモード電圧が存在する場合の小さい電圧降下の測定(a)および接地ループの排除(b)は、絶縁を必要とする一般的な回路アプリケーションです。(画像提供:Digi-Key Electronics)

上の(a)の回路は、モータまたはモータ位相を制御するための一般的な電源ドライバです。これは、パルス波形のデューティサイクルを負荷に変えることによって電力を制御します。供給電圧(HV+およびHV-)は数百ボルト程度です。シャント抵抗器RSHUNTの電流センス電圧は10sミリボルト程度ですが、HV+とHV-の間で変動するパルス波形を利用しています。この電圧を接地された計測器または電流センスアンプの入力に加えると、コモンモード電圧制限を超え、デバイスを破壊する可能性があります。

同様に、設計者は、積み重ねられた複数のセルの上部にある単一の太陽電池の電圧出力をどのように測定しますか?コモンモード電圧が80Vを超えると、そこから必要な信号を分離するために何らかの電気的絶縁手段が必要となります。

接地ループから回路を絶縁する方法の問題についても考えてみます(図1b)。信号は、同軸ケーブルを使用して、左側のトランスミッタソースから右側のレシーバに接続されます。他の回路からの漂遊接地電流では、2つの接地を接続する同軸シールドを介してリターンパスを検出することがあります。これによって、ケーブルシールドシリーズインピーダンス間に電圧が発生し、VG2がVG1と異なってしまい、レシーバ入力でエラーが発生します。

これらのアプリケーションには両方とも信号接続を絶縁する機能が必要です。ソリューションは、入力と出力間のガルバニック分離を提供する絶縁アンプにあります。これは、必要な信号のみを伝送し、高いコモンモード電圧を除去します。システム内の接地ループの排除に適用され、回路要素間の接地分離を維持します。

絶縁アンプの仕組み

絶縁アンプは、入力回路と出力回路の間でガルバニック絶縁されたアンプで、関連する電源を含みます。これは、入力セクションと出力セクションとの間に導電性パスが存在しないことを保証します。セクション間が非常に低リークで、高誘電破壊電圧仕様を示しています。入力段は、コモンモード電圧を減衰させる差動アンプです。これを行うことができるのは、入力がお互いのボルト内にあり、アンプが浮動しており、接地を基準にしていないためです。慎重な設計とレイアウトによって、絶縁を低減できるセクション間の漂遊静電容量カップリングが最小限に抑えられます。セクション間の絶縁は、トランスカップリング、静電容量カップリング、または光学カップリングのいずれかによって提供されます(図2)。これらのカップリング方法は、通常、信号のDCコンポーネントおよび低周波コンポーネントをブロックします。この欠点は、入力信号を使用して、キャリアを変調し、デバイスの出力側での復調によって回復された全信号スペクトラムを送信することによって、回避されます。入力側と出力側の両方で絶縁された電源を使用します。

汎用絶縁アンプの図

図2:トランスカップリング、静電容量カップリング、または光学カップリングのいずれかを含む、一般的に使用される3つの絶縁方法を示す汎用絶縁アンプ。(画像提供:Digi-Key Electronics)

使用される変調手法はデバイスに依存しますが、周波数、パルス幅、またはシグマデルタ変調が頻繁に使用されます。シグマデルタ変調は、最も一般的に使用されます。入力は差動で、出力構成はシングルエンドまたは差動のどちらでもかまいません。絶縁アンプの入力セクションと出力セクションには、別々の電力接続があります。一般に、入力セクションは、接地を基準にしていない「フローティング」電源を使用します。良好な絶縁を維持するには、電源を十分に絶縁する必要があります。

適用される入力と出力との間の最大電圧差に対する絶縁アンプの定格は、通常、持続するDCおよびAC電圧に対して指定されます。トランジェントの最大印加電圧は、トランジェント状態のタイミングとは別に指定します。これらの仕様は、物理レイアウトがデバイス入力ピンと出力ピンの間の推奨される間隔を維持している限り、適用され、データシートに丁寧に記載されます。

トランス(磁気)カップリング

トランスカップリングされた絶縁は、歴史的に見て、回路を絶縁する最も古い方法です。Analog Devices AD202JYは、磁気カップリングされた絶縁アンプです(図3)。

Analog Devices AD202JYの図

図3:Analog Devices AD202JYは、トランスカップリングを使用して、単一の15ボルト非絶縁電源を使用した1000ボルトのDC絶縁を実現しています。(画像提供:Analog Devices)

AD202JYの最大絶縁電圧定格は、60ヘルツ(Hz)で750ボルトRMS AC、1000ボルトDC、およびAC連続です。デュアルトランスが使用されます。1つ目は信号パス用です。2つ目は、出力から入力側への25kHzキャリアをカップリングし、変調器のキャリアです。また、入力セクション用のデュアル絶縁電力出力を生成するためにも使用されます。これは、別々の絶縁電源の必要性を満たします。

アンプのゲインは1~100ボルトの間でユーザーが設定可能で、フルパワー帯域幅は5kHzです。出力段は、±5ボルトを供給できるバッファされていない差動出力です。

光学カップリング

光学カップリングは、絶縁アンプの入力と出力との間を絶縁するためのもう1つの可能性となります。絶縁アンプの入力セクションは発光ダイオード(LED)を駆動します。これは、出力セクションのフォトトランジスタによって受け取られる光です(図4)。リンクは完全に光学的であり、LEDとフォトトランジスタとの間に電気的な接続はありません。

Broadcom ACPL790X絶縁アンプファミリの機能図

図4:Broadcom ACPL790X絶縁アンプファミリの機能図は、光リンクを使用して入力と出力の間を電気的に絶縁する方法を示しています。(画像提供:Broadcom Limited)

Broadcom ACPL790ファミリの絶縁アンプは、シグマデルタコンバータテクノロジを持つ優れた光学カップリングと、チョッパ安定化アンプを組み合わせて、高電圧絶縁、差動出力、および200kHzの帯域幅を提供します。891ボルト(ピーク)のIEC/EN/DIN EN60747-5-5作動絶縁電圧です。ファミリには、精度仕様が異なる3つの製品があります。ACPL-7900の精度は3%、ACPL-790Aの精度は1%、ACPL-790Bの精度は0.5%です。

静電容量カップリング

Texas Instruments AMC1301の絶縁アンプは、絶縁を得るための3番目の方法、すなわち静電容量カップリングを表します(図5)。

各脚に2つのシリーズコンデンサを使用しているTI AMC1301の図

図5:TI AMC1301は、強化絶縁バリアの各脚に2つのシリーズコンデンサを使用して、静電容量絶縁を提供します。(画像提供:Texas Instruments)

AMC1301は、絶縁電圧定格が1500ボルト(ピーク)の差動出力絶縁アンプです。絶縁アンプの入力段は、デルタシグマ変調器を駆動する差動アンプで構成されています。絶縁クロック(キャリア)は内部的に得られます。トランスミッタ(TX)ドライバは、デュアルコンデンサ絶縁バリアを介してデータを転送します。受信された変調データは復調され、ローサイドでクロックと同期され、差動信号として出力されます。AMC1301は、固定ゲインが8.2、公称帯域幅が200kHz(標準)です。

前述の説明と同様に、AMC1301の入力側と出力側には絶縁された電源が必要です。

AMC1301参照設計

Texas Instrumentsは、AMC1301絶縁アンプの参照設計例をTINA-TIシミュレーションとして提供しています(TINA-TIは、Texas Instrumentsから入手可能なフリー回路シミュレータです)。回路には、シミュレートされた入力として500ボルトのコモンモード電圧を利用した200ミリボルト(ピーク)、5kHzの信号があります。差動出力には、10キロオームの負荷への0ボルトのオフセットを持つ1.6ボルトのピーク振幅があります。この例は、大きなコモンモードオフセット(この場合は500ボルト)を入力信号から除去する際の絶縁アンプの電力を示しています。

AMC1301のTexas Instrumentsの参照設計の図

図6:TINA-TIのシミュレーションとして動作するAMC1301のTexas Instrumentsの参照設計は、500ボルトのコモンモードDCオフセットに絶縁を提供するAMC1301の例です。(画像提供:Digi-Key Electronics)

接地ループの絶縁

絶縁アンプの入力と出力間の絶縁を使用して、図1bに示すような接地ループを分割することができます。トランスミッタとレシーバの間に絶縁アンプを配置すると、同軸ケーブルを介したトランスミッタとレシーバ間の接地接続が切断され、そこに直接接地パスはありません(図7)。

トランスミッタとレシーバの間の絶縁アンプの図

図7:トランスミッタとレシーバの間に絶縁アンプを挿入すると、元の同軸ケーブル接続によって接地ループを排除します。(画像提供:Digi-Key Electronics)

結論

絶縁アンプは、磁気カップリング、光学カップリング、または静電容量カップリングのどれに基づいていても、高いコモンモード電圧を利用した小信号を測定する、または回路接地を絶縁して200kHzまでの帯域幅を持つシステムで接地ループを排除するのに便利なツールです。電源、モータコントローラ、リモート電圧センシング、生物医学的測定、およびリモートデータ取得に共通のアプリケーションがあります。

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著者について

Art Pini

Arthur(Art)PiniはDigi-Key Electronicsの寄稿者です。ニューヨーク市立大学の電気工学学士号、ニューヨーク市立総合大学の電気工学修士号を取得しています。エレクトロニクス分野で50年以上の経験を持ち、Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek、およびNicolet Scientificで重要なエンジニアリングとマーケティングの役割を担当してきました。オシロスコープ、スペクトラムアナライザ、任意波形発生器、デジタイザや、パワーメータなどの測定技術興味があり、豊富な経験を持っています。

出版者について

Digi-Keyの北米担当編集者