ハイサイド電流計測回路 その1

電源電流を計測する回路はいろいろありますが、電流経路に抵抗を挿入して両端の電圧を測るのがポピュラーです。
このような抵抗をシャント抵抗というわけですが、このシャント抵抗を電源のプラス側に挿入するかマイナス側(GND側)に挿入するかによって、2種類に分けられます。

マイナス側に抵抗を入れるローサイド電流計測回路の方が簡単で好きなのですが、そうも言ってられない場合もよくあります。
今回はトランジスタ技術2008年1月号P173に「電源電流の高精度測定」という記事があったので、ハイサイド電流計測回路について考えてみます。

とりあえず簡単な仕様として、以下の項目を想定します。
・電流計測ラインの電圧は24V~36Vぐらい
・シャント抵抗は10mΩ
・入力電流0-2.5Aに対してアンプの出力電圧は0-2.5V

ハイサイド電流測定回路を作る際の一番の問題点となるのは、OPアンプの入力電圧範囲です。
この問題点を克服する方法はいくつかあります。

1.専用ICを使う方法
2.絶縁電源とISOアンプをつかう方法
3.昇圧電源と高耐圧OPアンプをつかう方法
4.レールtoレールOPアンプとトランジスタをつかう方法
5.分圧した後に増幅する方法

1.や2.はおそらく確実な方法なのですが、あんまりよく分からないので割愛。
3.は測定ラインが24Vや36V程度なら何とかなりますが、もっと高い電圧だとどうしようもないですね。

4.レールtoレールOPアンプとトランジスタをつかう方法はとても有名な回路です。今回はコレについて書きます。
トランジスタ技術2008年1月号の図5も同じ方式の回路です。5.はまたいつの日か・・・






トランジスタ技術の回路ではQ1にJFETを用いていますが、私はJFETとか使ったことないし、よく分からないのでPNPトランジスタにしてしまいました。バイポーラトランジスタを使うとベース電流分の誤差が出るので本当はよくないのでしょうが・・・

グラフは、負荷電流I1を0Aから2.5Aまで1mA刻みでDC Sweepしたものです。
緑色が出力電圧、青色がシャント抵抗の両端の電位差を100倍に増幅したものです。青のラインは、OPアンプの入力バイアス電流分の誤差がありますが、このアンプの出力電圧に対してほぼ理想値といってよいでしょう。
赤のラインは上記二つの差、すなわち誤差です。前述のとおりバイポーラトランジスタのベース電流分の誤差が出ることが予想されましたが、ベース電流を表す深緑のラインと相関があることが分かります。

U1のOPアンプはLTspice上ではUniversalOpampを使いましたが、実際の回路では入出力レールtoレールの高精度OPアンプを使う必要があります。

特に今回の回路に関しては、文章を読むだけではよく分からないと思うので興味がある人はシミュレーションしてみてください。さらに言うと、私は実際の回路を作っていないので、本当に作るときはさらに問題があるかもしれません。

追記
ぼんやりしていたら書き忘れましたが、出力電圧の式と簡単な動作原理について。
出力電圧:Vout=(R2/R1)*RsI

U1の入力端子がバーチャルショートの関係となるため、Rsの両端の電位差とR1の両端の電位差が等しくなる。
Q1のベース電流Ibとコレクタ電流Icの関係がIc>>Ibであるなら、エミッタ電流Ie=Icと考えることが出来る。

したがって、R1の両端の電位差とR2の両端の電位差の比はR1とR2の比となる。


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