JAJAAD7 アプリケーション概要

JAJAAD7 December 2025 ADC128S102-SEP , ADC128S102QML-SP , INA901-SP , INA950-SEP , ISOS141-SEP

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商標

はじめに

このアプリケーションブリーフでは、利用可能なデバイスの制限により直接測定が不可能な高電圧電源システムにおいて、高精度な電流測定を実現する小型の耐放射線設計について説明します。この設計のセンシング部分にシフト グランド を使用することで、同相電圧が 200 ～ 400V の条件下でも、低電圧許容のデバイスを用いてシャント抵抗を流れる電流を測定できます。

アプリケーション

高電圧 DC バス (80 ～ 400V) は、導通損失を最小化するために宇宙アプリケーションでの採用が進んでおり、質量に制約のあるシステムにおいてケーブルやコネクタの軽量化を可能にします。ただし、耐放射線性の電流センス IC は入力電圧が 100V 未満に制限されているため、電気推進スラスタ、月面発電、高電圧バッテリバンク、ソーラーパネルアレイへの統合が複雑になります。

主な利点

電圧が高いほどケーブルの薄型化が可能で、システムの重量を最大 30% 低減できます。

放射線耐性：30krad、43MeV⋅cm2/mg

高電圧絶縁：最大 3000V (ISOS141-SEP)、パーツの選択肢により拡張可能。

統合の容易さ：マイコン / FPGA へのデジタル SPI 出力。電圧バリアをまたぐアナログ信号なし。

回路の説明およびブロック図

このデザインでは、ツェナーシフトされたフローティンググランド手法を利用することで、低電圧の電流センスアンプと ADC を、標準の IC 定格をはるかに超える条件下でも安全に動作させることができます。このアプリケーションでは、4.7V のツェナーダイオードを選択しました。この部品の特性によって、ツェナー電圧は ADC の最大入力電圧を超えないことが保証されます。レギュレートされた 電圧を生成するには、ブレークダウン電圧を維持するのに十分な電流でツェナーダイオードを逆バイアスする必要があります。この電流とアンプおよび ADC に供給される電流が、バイアス抵抗を流れます。供給電圧、ツェナーダイオード電流、必要な電源電流に基づいて、R bias の値を選択します。

式 1.

R b i a s = \frac{V_{i n} - V_{z}}{I z + I a m p + A D C}

シャント抵抗を使用して、電流センスアンプの電圧入力を生成します。この電圧は 20V/V のゲインで増幅され、ADC に直接接続されます。ADC の入力範囲は、ツェナーダイオードによって設定される電源電圧に制限されます。これは、センス抵抗で使用できる電圧範囲が 0V から次の値までであることを意味します：4.7V

式 2.

V_{z} / 20 V / V

式 3.

4.7 V / 20 = 235 m V

ADC 出力にデジタルアイソレータを追加することで、ADC からの SPI データを、0V のグランド基準の通常電圧で動作するプロセッサまたは FPGA で利用できます。

図 1 概略ブロック図

テスト

図 1 のブロック図に従って、INA950-SEP、ADC128S102-SEP、ISOS141-SEP の各評価基板を接続し、回路をテストしました。センス抵抗両端の電圧は、0 ～ 220mV の範囲で段階的に調整されます。対応するサンプリング電圧は、ADC の GUI から記録されました。テストデータは、ADC128S102 EVM GUI と ADC-PHI_PRU_EVM ボードを使用して収集されました。