正確な電力測定と管理を可能にする電流センス抵抗器について

より高い効率と優れた電源管理への継続的な要求には、正確な電流測定が必要です。このニーズは、バッテリ管理システム（BMS）、スイッチング電源（SMPS）、モータドライブなど、多様な産業用および民生用アプリケーションとパワーエレクトロニクスにまたがっています。

電流を測定して電力を決定する方法はいくつかありますが、電流センス抵抗器（シャント抵抗器と呼ばれることが多い）と差動増幅器を採用するのは、技術的に最も適しており、コスト効率の高いソリューションの1つです。

電流センス抵抗器は、希望する値を持つ「単なる抵抗器」以上のものです。正確なセンシングのためには、高い絶対精度、信頼性のための優れた放熱性能、自己発熱や周囲温度が変動しても温度変化に対して安定であること、熱電接点効果が最小限であることなどが求められます。

センス抵抗器のサイズを決めるには、まず、全電流負荷時に電流センス抵抗器で生じる許容可能な最大電圧降下（V = IR）を想定して、適切な抵抗値を決定します。これは、ダイナミックレンジ、感度、ノイズ、電流の流れに対する障害、および散逸による無駄な電力といった要因の間で、しばしば良い妥協点となります。

次に、抵抗器を流れる最大電流を見て、その抵抗器の最大値を計算します。これは多くの場合、1ミリオーム（mΩ）以下になります。選択した抵抗器の値と最大電流を使用して、I²Rの式を使用して抵抗器に必要な定格損失を計算することができます。

重要な接続トポロジ

同様に重要なことは、物理的なセンシングは、電圧測定誤差を最小限に抑えなければならないということです。極端に低い抵抗値と低い電圧降下のため、電流接続、センサワイヤ、センス抵抗器間の接触抵抗のような微妙な点が重要な考慮事項となります。

基本的な2線式電圧センシングでは、抵抗器における現在の電流流路と抵抗器への電圧接続の接点は同じです（図1左）。

図1：2線式センシング（左）と4線式ケルビンセンシング（右）は、電流と電圧の接点の物理的な接続にわずかながら大きな違いがあり、後者はリード線の損失による誤差を最小限に抑えます。（画像提供：Wikipedia、筆者による変更あり）

しかし、見かけ上の2線式接続は、抵抗器にかかる低電圧レベルでの測定精度を損なう可能性があります。2線式センシング接続によって誘発される比較的小さいけれど重大な誤差を無くすために、4線式ケルビンセンシング接続を使用するのが一般的です（図1、右）。

このトポロジでは、通電接続と電圧センシング接続は独立した接点となっています。電気的な接続回路図は同じように見えるかもしれませんが、物理的な実装はまったく異なります。

通電接点と経路を電圧センシングポイントから分離することで、4線式センシングは、リード線と通電接点にかかる電圧降下が測定精度に影響しないことを保証します。これは、センス抵抗器の値が測定に使われるリード線の値とほぼ同じであるような精密な読み取りを行う場合に、特に問題となります。

4線式センシングは、電圧測定ポイントをターゲットインピーダンスのすぐ近くに移動させることにより、大電流経路で発生する可能性のある電圧降下をバイパスして、この問題を大幅に最小化します。

重要な最適抵抗器技術

センス抵抗器は、1mΩ以下の低抵抗値であることに加え、周囲温度の変化やI²Rによる自己発熱による変動を防止するため、抵抗温度係数（TCR）が低くなければなりません。その結果、これらの抵抗器の設計、材料、製造は高度に専門的な仕事になります。

Bourns, Inc.の金属ストリップシャント抵抗器CSIシリーズは、設計者がこれらの要件を満たすのに役立ちます。このファミリのメンバは、0.2mΩという低抵抗値と15ワット（連続）までの電力損失定格の幅広い組み合わせで利用可能です。

抵抗器は電子ビーム溶接（EBW）抵抗材料と銅合金を使用して製造され、2端子と4端子のオプションがあります。2端子モデルは、5930、3920、2512の3種類のフットプリントサイズで提供されます。この4端子デバイスは、より精密な4線式ケルビン抵抗測定用で、4026フットプリントで提供されます。

独自の金属合金電流センシング素子は、シャント抵抗器用に特別に設計されており、熱起電力（EMF）が低く、+20°C～+60°Cの温度範囲でTCRが±50ppm/℃と低くなっています。

これらの抵抗器を製造するために、直感に反する材料科学的洞察が用いられていることに注目して下さい。通常、低TCR部品に高TCRの銅（約3900ppm/°C）を使用することはありません。しかし、銅は熱伝導性にも優れているため、抵抗器の設計に慎重に溶け込ませ、電力処理性能を高めています。

CSIシリーズの2線式抵抗器の代表的な例は、CSI2H-2512R-1L00J（図2）で、公差±5%、TCR±75ppm/°Cの1mΩ、5ワット抵抗器です。他のバージョンでは、公差が±2%、さらには1%と厳しいものもあります。

図2：CSI2H-2512R-1L00Jは、2線式センシング用の1mΩ、5Wの抵抗器です。（画像提供：Bourns）

この抵抗器は、BournsのタイプR材料を使用して製造されており、2ナノヘンリ（nH）以下という極めて低い自己インダクタンスが特徴です。自己インダクタンスは本質的なパラメータですが見落とされがちで、抵抗器が高速スイッチング回路にある場合に問題となります。

4線式ケルビンセンシングが必要な場合、CSI4J-4026R-1L00F電流センス抵抗器は定格8ワットの1mΩ部品です（図3）。この±1%抵抗器（2%と5%のバージョンもある）のTCRは±75ppm/°Cです。自己インダクタンスは3nH以下です。4線式機能を実現するように設計されているため、異なる接点構成に注意してください。

図3：1mΩのCSI4J-4026R-1L00Fは、4線式ケルビン電流センシング用に設計されています。（画像提供：Bourns）

TCRがセンス抵抗の精度に影響するため、これらの部品のデータシートには、25°Cでの性能に関する抵抗値の変化を示す複数のグラフが記載されています。

まとめ

センス抵抗器は単純な部品に見えるかもしれませんが、もっと深く掘り下げてみてください。ニッチな用途で何を期待され、何を提供する必要があるのかを考えると、経験、材料に関する専門知識、製造ノウハウを持ち、詳細なデータシートでサポートされているベンダーでなければ対応できない微妙な問題や考慮事項があることに気づくでしょう。

リファレンス

1：Maxim/Analog Devices、アプリケーションノート5761、「超精密電流シャントモニタ/電流センスアンプの測定精度に息づくケルヴィン卿のセンシング手法 」