±50mV 入力および差動出力を備えた絶縁型電流検出回路

設計目標

電流源		入力電圧		出力電圧		単一電源
I_{IN MIN}	I_{IN MAX}	V_{IN DIFF, MIN}	V_{IN DIFF, MAX}	V_{OUT DIFF, MIN}	V_{OUT DIFF, MAX}	V_DD
-50 A	50 A	-50 mV	50 mV	-2.05 V	2.05 V	5 V

設計の説明

この絶縁型単一電源の双方向電流センシング回路は、-50A～50A の負荷電流を正確に測定できます。入力の線形範囲は -50mV～50mV で、差動出力スイングは -2.05V～2.05V、出力同相電圧 (V_CM) は 1.44V です。絶縁型アンプ回路のゲインは 41V/V に固定されています。この設計では、高電圧アプリケーションにおけるオペレータの安全を確保するために、動作電圧は 1200V とする必要があります。

デザインノート

AMC3302 が選択されたのは、高い精度、小さい入力電圧範囲、シングルローサイド電源という、この用途における要件が理由です。
AMC3302 に電力を供給する VDD には、低インピーダンス、低ノイズのソースを選択します。
最高の精度の測定を求める場合は、温度係数の小さい高精度シャント抵抗を選択してください。
予測されるピーク入力電流レベルに基づいて電流シャント抵抗を選択します。
連続動作の場合は、IEEE 規格に従った通常の条件下において、定格電流の 2/3 を超える電流でシャント抵抗を動作させないでください。消費電力の要件が厳しいアプリケーションでは、シャント抵抗をさらに小さくするか、定格ワット数を増やす必要があるかもしれません。

設計手順

入力電流範囲と絶縁アンプの固定ゲインがある場合、伝達方程式を決定します。
$V_{O U T} = I_{i n} \times R_{s h u n t} \times 41$ $V_{O U T} = I_{i n} \times R_{s h u n t} \times 41$
最大シャント抵抗値を決定します。
$R_{s h u n t} = \frac{V_{i n M a x}}{I_{i n M a x}} = \frac{50 m V}{50 A} = 1 m Ω$ $R_{s h u n t} = \frac{V_{i n M a x}}{I_{i n M a x}} = \frac{50 m V}{50 A} = 1 m Ω$
シャント抵抗の最小消費電力を決定します。
${P o w e r R}_{s h u n t} = {I_{i n M a x}}^{2} \times R_{s h u n t} = 2500 A \times 0.001 Ω = 2.5 W$ ${P o w e r R}_{s h u n t} = {I_{i n M a x}}^{2} \times R_{s h u n t} = 2500 A \times 0.001 Ω = 2.5 W$

DC 伝達特性

以下のグラフでは、AMC3302 差動出力の DC 特性のシミュレーションを示しています。このグラフは、出力が ±50A で線形であることを示しています。

閉ループの AC シミュレーション結果

AC スイープは、差動出力の AC 伝達特性を示しています。AMC3302 のゲインは 41V/V であるため、次の図に示すように 33.25dB のゲインが予想されます。

過渡シミュレーション結果

以下の過渡シミュレーションは、AMC3302 の -50A から 50A までの出力信号を示しています。AMC3302 の差動出力は予想どおり ±2.05Vpk-pk です。

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツの総合的な回路ライブラリについては、『アナログエンジニア向け回路クックブック』を参照してください。

設計に使用されている絶縁アンプ

AMC3302
動作電圧	1200 V_RMS
ゲイン	41 V/V
帯域幅	340 kHz TYP
リニアな入力電圧範囲	±50 mV
AMC3302

代替絶縁型アンプの設計

AMC3301
動作電圧	1200 V_RMS
ゲイン	8.2 V/V
帯域幅	334 kHz TYP
リニアな入力電圧範囲	±250 mV
AMC3301

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