JAJY148 December   2024 AMC0106M05 , AMC0106M25 , AMC0136 , AMC0311D , AMC0311S , AMC0386 , AMC0386-Q1 , AMC1100 , AMC1106M05 , AMC1200 , AMC1200-Q1 , AMC1202 , AMC1203 , AMC1204 , AMC1211-Q1 , AMC1300 , AMC1300B-Q1 , AMC1301 , AMC1301-Q1 , AMC1302-Q1 , AMC1303M2510 , AMC1304L25 , AMC1304M25 , AMC1305M25 , AMC1305M25-Q1 , AMC1306M05 , AMC1306M25 , AMC1311 , AMC1311-Q1 , AMC131M03 , AMC1336 , AMC1336-Q1 , AMC1350 , AMC1350-Q1 , AMC23C12 , AMC3301 , AMC3330 , AMC3330-Q1

 

  1.   1
  2.   はじめに
  3.   絶縁型シグナル チェーンの紹介
    1.     絶縁型アンプと絶縁型変調器の比較
      1.      概要
      2.      絶縁型アンプの概要
      3.      絶縁型変調器の概要
      4.      絶縁型アンプと絶縁型変調器の性能比較
      5.      トラクション インバータにおける絶縁型変調器
      6.      推奨する絶縁型アンプおよび変調器
      7.      まとめ
    2.     TI 初の超広範囲の沿面距離と空間距離に対応した絶縁型アンプ
      1.      アプリケーション ブリーフ
  4.   選択ツリー
  5.   電流検出
    1.     絶縁型データ コンバータのシャント抵抗の選択
      1.      17
    2.     絶縁型電流センシングの設計上の考慮事項
      1.      19
      2.      まとめ
      3.      参考資料
      4.      関連ウェブサイト
    3.     ±50mV 入力およびシングルエンド出力を備えた絶縁型電流センシング回路
      1.      24
    4.     ±50mV 入力および差動出力を備えた絶縁型電流検出回路
      1.      26
    5.     ±250mV の入力範囲、シングルエンド出力電圧の絶縁型電流センシング回路
      1.      設計目標
      2.      設計の説明
      3.      デザイン ノート
      4.      設計手順
      5.      設計シミュレーション
      6.      DC シミュレーション結果
      7.      閉ループの AC シミュレーション結果
      8.      過渡シミュレーション結果
      9.      設計の参照資料
      10.      設計に使用されている絶縁型アンプ
      11.      代替絶縁型アンプの設計
    6.     ±250mV 入力および差動出力の絶縁型電流測定回路
      1.      設計目標
      2.      設計の説明
      3.      デザイン ノート
      4.      設計手順
      5.      設計シミュレーション
      6.      DC シミュレーション結果
      7.      閉ループの AC シミュレーション結果
      8.      過渡シミュレーション結果
      9.      設計の参照資料
      10.      設計に使用されているオペアンプ
      11.      設計の代替オペアンプ
    7.     絶縁型過電流保護回路
      1.      52
    8.     差動出力 (絶縁型) アンプからシングルエンド入力 ADC への接続
      1.      54
    9.     AMC3311 を使用して、AMC23C11 に絶縁型センシングとフォルト検出用の電力供給を行う
      1.      アプリケーション ブリーフ
    10.     フロントエンド ゲイン段を備えた絶縁型電流センシング回路
      1.      58
    11.     絶縁型シャント電流検出と閉ループ電流検出の精度の比較
      1.      60
  6.   電圧検出
    1.     絶縁型電圧センシングによる電力変換およびモーター制御の効率性の最大化
      1.      63
      2.      高電圧センシング向けソリューション
      3.      統合型抵抗デバイス
      4.      シングルエンド出力デバイス
      5.      統合型絶縁型電圧センシングのユース ケース
      6.      まとめ
      7.      その他の資料
    2.     高電圧抵抗内蔵の絶縁型アンプおよび変調器で精度と性能を向上
      1.      概要
      2.      はじめに
      3.      高電圧抵抗の絶縁型アンプおよび変調器の利点
        1.       省スペース
        2.       内蔵 HV 抵抗による温度および寿命ドリフトの向上
        3.       精度の結果
        4.       完全に内蔵された抵抗と追加外付け抵抗の例
        5.       デバイス選択ツリーおよび AC/DC の一般的な使用事例
      4.      まとめ
      5.      参考資料
    3.     差動、シングルエンド固定ゲイン、レシオメトリック出力を備えた電圧センシング アプリケーション向け絶縁型アンプ
      1.      概要
      2.      はじめに
      3.      差動、シングルエンド固定ゲイン、レシオメトリック出力の概要
        1.       差動出力を備えた絶縁型アンプ
        2.       シングルエンド固定ゲイン出力を備えた絶縁型アンプ
        3.       シングルエンド レシオメトリック出力を備えた絶縁型アンプ
      4.      アプリケーションの例
        1.       製品選択ツリー
      5.      まとめ
      6.      参考資料
    4.     ±250mV 入力および差動出力、絶縁型電圧測定回路
      1.      93
    5.     AMC3330 を使用したライン間絶縁型電圧測定用の分岐タップ接続
      1.      95
    6.     絶縁アンプと疑似差動入力 SAR ADC を使用した ±12V の電圧センシング回路
      1.      97
    7.     絶縁アンプと差動入力 SAR ADC を使用した ±12V の電圧センシング回路
      1.      99
    8.     絶縁型の低電圧および過電圧検出回路
      1.      101
    9.     絶縁型ゼロクロス検出回路
      1.      103
    10.     差動出力を持つ ±480V の絶縁電圧センシング回路
      1.      105
  7.   EMI 性能
    1.     絶縁型アンプによるクラス最高の放射エミッション EMI 性能
      1.      絶縁型アンプによるクラス最高の放射エミッション EMI 性能
      2.      はじめに
      3.      テキサス・インスツルメンツの現行世代の絶縁型アンプの放射エミッション性能
      4.      テキサス・インスツルメンツの前世代の絶縁型アンプの放射エミッション性能
      5.      まとめ
      6.      参考資料
    2.     AMC3301 ファミリの放射エミッション EMI を減衰させるためのベスト プラクティス
      1.      概要
      2.      はじめに
      3.      入力接続が AMC3301 ファミリの放射エミッションに及ぼす影響
      4.      AMC3301 ファミリの放射エミッションの減衰
        1.       フェライト ビーズとコモン モード チョーク
        2.       AMC3301 ファミリの PCB 回路図とレイアウトのベスト プラクティス
      5.      複数の AMC3301 デバイスの使用
        1.       デバイスの配置
        2.       複数の AMC3301 の PCB レイアウトのベスト プラクティス
      6.      まとめ
      7.      AMC3301 製品ファミリの特性表
  8.   最終製品
    1.     HEV/EV におけるシャント ベースとホール ベースの絶縁型電流センシング ソリューションの比較
      1.      128
    2.     EV (電気自動車) の DC 充電アプリケーションにおける電流センシングの設計上の考慮事項
      1.      概要
      2.      はじめに
        1.       電気自動車用 DC 充電ステーション
        2.       電流センシング技術の選択および等価モデル
          1.        シャント方式のソリューションによる電流センシング
          2.        センシング技術の等価モデル
      3.      AC/DCコンバータの電流センシング
        1.       AC/DC の基本的なハードウェアおよび制御の説明
          1.        AC 電流制御ループ
          2.        DC 電圧制御ループ
        2.       ポイント A、 B – AC/DC AC 位相電流センシング
          1.        帯域幅の影響
            1.         定常状態分析：基本電流およびゼロクロス電流
            2.         過渡分析：ステップ電力応答および一時的な電圧低下応答
          2.        レイテンシの影響
            1.         故障分析：グリッド短絡
          3.        ゲイン誤差の影響
            1.         ゲイン誤差に起因する AC/DC の電源の外乱
            2.         ゲイン誤差に起因する電源の外乱に対する AC/DC 応答
          4.        オフセットの影響
        3.       ポイント C、D – AC/DC DC リンク電流センシング
          1.        帯域幅のフィードフォワード性能への影響
          2.        レイテンシの電源スイッチ保護への影響
          3.        ゲイン誤差の電力測定への影響
            1.         過渡分析：ポイント D のフィードフォワード
          4.        オフセットの影響
        4.       ポイント A、B、C1/2、D1/2 におけるプラス要素とマイナス要素の概要および推奨製品
      4.      DC/DCコンバータの電流センシング
        1.       位相シフト制御を備えた絶縁型 DC/DC コンバータの基本動作原理
        2.       ポイント E、F - DC/DC 電流センシング
          1.        帯域幅の影響
          2.        ゲイン誤差の影響
          3.        オフセット誤差の影響
        3.       ポイント G - DC/DC タンク電流センシング
        4.       センシング ポイント E、F、G の概要と推奨製品
      5.      まとめ
      6.      参考資料
    3.     絶縁型コンパレータを使用して電動モーター ドライブの故障を検出
      1.      はじめに
      2.      電動モーター ドライブの概要
      3.      電動モーター ドライブの障害イベントについて
      4.      電動モーター ドライブで信頼性の高い検出と保護を実現
      5.      使用事例 1：双方向の同相過電流検出
      6.      使用事例 2：DC+ の過電流検出
      7.      使用事例 3：DC– 過電流または短絡の検出
      8.      使用事例 4：DC リンク (DC+ から DC –) の過電圧および低電圧の検出
      9.      使用事例 5：IGBT モジュールの過熱検出
    4.     モーター ドライブにおける UCC23513 フォトカプラ互換絶縁型ゲートドライバ向けディスクリート DESAT
      1.      概要
      2.      はじめに
      3.      DESAT 機能を内蔵した絶縁型ゲート ドライバに関するシステムの課題
      4.      UCC23513 および AMC23C11 を使用したシステム アプローチ
        1.       システムの概要と主な仕様
        2.       回路図の設計
          1.        回路図
          2.        VCE(DESAT) スレッショルドおよび DESAT バイアス電流の構成
          3.        DESAT ブランキング時間
          4.        DESAT グリッチ除去フィルタ
        3.       リファレンス PCB レイアウト
      5.      シミュレーションおよびテスト結果
        1.       シミュレーション回路と結果
          1.        シミュレーション回路
          2.        シミュレーション結果
        2. 3 相 IGBT インバータによるテスト結果
          1.        ブレーキ IGBT テスト
          2.        位相間短絡が発生した 3 相インバータのテスト結果
      6.      まとめ
      7.      参考資料
    5.     AC モーター ドライブの絶縁型電圧検出
      1.      はじめに
      2.      まとめ
      3.      参考資料
    6.     サーバー PSU で電流と電圧の高性能絶縁型センシングを実現
      1.      アプリケーション ブリーフ
  9.   その他のリファレンス デザイン / 回路
    1.     絶縁型アンプ用ブートストラップ チャージ ポンプ電源の設計
      1.      概要
      2.      はじめに
      3.      ブートストラップ電源の設計
        1.       チャージ ポンプ コンデンサの選択
        2.       TINA-TI でのシミュレーション
        3.       AMC1311-Q1 によるハードウェア テスト
      4.      まとめ
      5.      リファレンス
    2.     MCU への絶縁型変調器のデジタル インターフェイスによるクロック エッジ遅延補償
      1.      概要
      2.      はじめに
      3.      デジタル インターフェイスのタイミング仕様に関する設計上の課題
      4.      クロック エッジ遅延補償を使用した設計アプローチ
        1.       ソフトウェアで設定可能な位相遅延によるクロック信号補償
        2.       ハードウェアで構成可能な位相遅延によるクロック信号補償
        3.       クロック復帰によるクロック信号補償
        4.       MCU におけるクロック反転によるクロック信号補償
      5.      テストと検証
        1.       試験装置とソフトウェア
        2.       ソフトウェアで設定可能な位相遅延によるクロック信号補償のテスト
          1.        テスト構成
          2.        テスト測定結果
        3.       MCU におけるクロック反転によるクロック信号補償のテスト
          1.        テスト構成
          2.        テスト測定結果
            1.         テスト結果 – GPIO123 でのクロック入力の反転なし
            2.         テスト結果 – GPIO123 でのクロック入力のクロック反転
        4.       計算ツールによるデジタル インターフェイス タイミングの検証
          1.        補償方法のないデジタル インターフェイス
          2.        一般的に使用される方法 - クロック周波数の低減
          3.        ソフトウェアで設定可能な位相遅延によるクロック エッジ補償
      6.      まとめ
      7.      参考資料
    3.     AMC3311 を使用して、AMC23C11 に絶縁型センシングとフォルト検出用の電力供給を行う
      1.      アプリケーション ブリーフ

オンボード チャージャ、ストリング インバータ、モーター ドライブなどの産業用および車載用アプリケーションは、機能を実行する高電圧回路からデジタル回路を保護しながら、電流制御ループのフィードバック アルゴリズムを駆動するために、何らかの種類の絶縁電流測定を必要とします。

絶縁型アンプは高性能であることから、絶縁バリア越しに電流測定データを転送するのに最適なデバイスです。ただし、適切な絶縁型アンプを選定することが、必ずしも明快なプロセスとは限りません。絶縁仕様、ハイサイドへの電力供給方法、入力電圧範囲の選択など、絶縁型アンプを選択する際に数多くの決定事項を検討する必要があります。この記事は、特定のシステムに最適な絶縁型アンプを選定する際に役立つ、これらの決定事項をそれぞれ詳しく説明します。

絶縁型電流測定用のデバイスを選択する際の最初の決定事項は、必要な絶縁レベルを決定することです。絶縁には、基本絶縁と強化絶縁という 2 つのレベルがあります。モーター ドライブ向けの IEC (国際電気標準会議) 61800 や医療機器向けの IEC 60601 などのシステム アーキテクチャおよび最終製品規格では、必要な絶縁レベルが規定されています。

絶縁バリアの性能を定量化する主な仕様は次のとおりです。

  • 絶縁動作電圧は、絶縁型アンプがその動作寿命を通じて連続的に処理できる、二乗平均平方根電圧で定義される最大電圧です。
  • 同相過渡耐性は、絶縁型アンプが誤差なしに耐えることのできる、グランドの電位差の最大変化率を表します。
  • 絶縁過渡過電圧は、絶縁型アンプが 60 秒間耐えられるピーク ツー ピーク電圧で定義される電圧です。
  • IEC 60065 によるサージ定格 (インパルス電圧定格) は、絶縁型アンプが障害なく耐えることのできる 1.2/50µs の電圧振幅です。

一部の最終製品メーカーは、自社の製品が絶縁仕様を満たしていることを検証するために、サード パーティーから認定を受けた製品を揃えています。絶縁型アンプは、これらの仕様自体を測定することはありません。絶縁型アンプは最終製品内の部品であり、最終製品規格は間接的にのみ適用されるためです。代わりに、Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN) Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) V 0884-11 や Underwriters Laboratories (UL) 1577 などのデバイス レベルの認証に基づいて部品を測定します。IEC 規格で規定されているように、同等の要件を持つ部品レベルの規格に準拠したデバイスは、個別の評価を必要としません。この規定は、Comité International Spécial des Perturbations Radio (CISPR) の放射エミッション電磁干渉 (EMI) 規格にも適用されます。テキサス・インスツルメンツの絶縁型アンプの放射エミッション性能については、[1] を参照してください。

最高の性能を得るため、デバイス固有のデータシートに記載されているレイアウトとアプリケーションのプラクティスを推奨します。[2] に、テキサス・インスツルメンツ絶縁型アンプのデバイス レベルの認定を示します。

絶縁型アンプを選択するときの次の決定事項は、絶縁バリアのハイサイドでどのように電力を供給するかです。

回路のこの部分を設計するときは、ハイサイド電源電圧が測定中の電流の同相入力電圧に合わせて浮動する必要があることに注意してください。つまり、多相電流を測定するには、各位相に専用のハイサイド電源を備えた 1 つの絶縁型アンプが必要です。ハイサイド電源回路の設計が誤っていると、絶対最大アナログ入力電圧定格を超える可能性があり、デバイスに永続的な損傷が発生する可能性があります。

絶縁型アンプのハイサイドに電力を供給するための 3 つの主な設計オプションがあります。

最初の設計オプションは、絶縁型アンプのハイサイドにローサイドから電圧を供給できるディスクリート絶縁型トランス回路を設計することです。この方法では、テキサス・インスツルメンツの SN6501 などのトランス ドライバ、テキサス・インスツルメンツの TLV704 などの低ドロップアウト レギュレータを選定する必要があります。このアプローチは設計は簡単ですが、広い基板面積と複数の部品を必要とします。AMC1300 評価基板 (EVM) の上部の実装例を、図 12 に示します。
絶縁型トランスを搭載した AMC1300 評価基板。図 12 絶縁型トランスを搭載した AMC1300 評価基板。

図 13 に示す 2 番目の設計オプションは、フローティング ハイサイド ゲート ドライバ電源 (通常 15V) と、ツェナー ダイオードなどのシャント レギュレータを使用して、電圧を 5V にレギュレートします。この設計の例を AMC1300B-Q1 強化絶縁型アンプなどのデバイスのデータシートに示します。この設計オプションは経済的かつ効果的ですが、ゲート ドライバ電源のグランド基準電圧とアンプのグランド基準電圧の間のレイアウト制限や寄生インピーダンスは、同相入力電圧違反や過渡誤差につながる可能性があります。

3 番目で最もシンプルな設計オプションは、図 14 に示すように DC/DC コンバータを内蔵したデバイスを使用します。テキサス・インスツルメンツの AMC3302 などの DC/DC コンバータを内蔵した絶縁型アンプは、ソリューションのサイズと複雑さを大幅に低減し、システム コストを削減し、優れた変換効率を実現し、シャント抵抗を柔軟に配置できるようにします。[4]

絶縁型アンプを選択する際の最後の決定事項は、デバイスの入力電圧範囲を選択することです。電流センシングに最適化されたほとんどの絶縁型アンプには、±50mV または ±250mV の線形入力電圧範囲のオプションがあります。どの入力電圧範囲がアプリケーションに適しているか判断するには、測定中の電流の大きさとシャント抵抗のサイズによって異なります。一般に、大電流の大きさを持つシステムでは、通常、±50mV など、より小さい入力範囲の絶縁型アンプが必要になります。電流の大きさが比較的小さいシステムでは、入力電圧範囲が ±250mV と多少大きく、高い信号対雑音比を実現できる利点があります

AMC1300B-Q1 とフローティング電源。図 13 AMC1300B-Q1 とフローティング電源。
AMC3302 絶縁型アンプと内蔵 DC/DC コンバータ図 14 AMC3302 絶縁型アンプと内蔵 DC/DC コンバータ

入力電圧範囲を選択するときは、次の 2 つの式を考慮する必要があります。オームの法則 (式 1 を参照)、抵抗で消費される電力 (式 2 を参照)：

式 1. V   =   I   ×   R
式 2. P   = I 2   ×   R

これらの 2 つの式は、絶縁型アンプのフルスケール入力範囲を最大化することと、シャント抵抗で消費される電力量との間のトレードオフを管理します。電流と抵抗の値が供給されると、式 1 はシャント抵抗の両端での電圧降下を計算します。この電圧範囲を、絶縁型アンプのフルスケール入力電圧範囲にできるだけ近い値に一致させるようにしてください。2 つの値の間に不一致があると、分解能が直接低下します。

式 2 で、シャントランプ抵抗の消費電力を定量化します。これは重要です。シャント抵抗を介して消費される電力が定格消費電力の半分に達すると、自己発熱により (温度ドリフト仕様に従って) ドリフトが発生し始め、ゲイン誤差が生じるためです。自己発熱に起因する過度のシャント ドリフトを防止するために、シャント抵抗の公称消費電力が定格消費電力の 1/8 以下になるように制限するのが最善の場合が多くあります。

たとえば、電流要件が公称電流 18A、最大電流 52A の場合、線形入力電圧範囲には最大電流に加えて 2 つの選択肢 (±50mV および ±250mV) があることがわかっているとします。次の両方の選択肢について、フルスケール入力範囲を満足するように、理想的なシャント抵抗値を計算できます。

式 3. ±50 mV: RIdeal = 0.96 mΩ
±250 mV: RIdeal = 4.8 mΩ

直近の標準的なシャント抵抗値を検出すること：

式 4. For ±50 mV: R = 1 mΩ, or
for ±250 mV: R = 5 mΩ

これらの値を 式 1 にプラグインすると、結果としてシャント抵抗の両端でのフルスケール電圧降下を計算できます。

式 5. For ±50 mV: V = I × R = (52 A) × (1 mΩ) = 52 mV, or
for ±250 mV: V = I × R = (52 A) × (5 mΩ) = 260 mV

理想的な計算から最も近い標準値までの抵抗値はわずかに増加し、その結果、フルスケール入力電圧範囲は絶縁型アンプの線形フルスケール入力範囲よりも大きくなります。これは、フルスケール電流振幅の場合、結果として得られる電圧振幅が絶縁型アンプの入力の線形領域内に入らなくなることを意味します。絶縁型アンプは多くの場合、クリップを開始する前に、リニア入力電圧範囲を超える追加の入力電圧範囲を持っています。この領域内 (通常、±250mV デバイスで ±280mV、±50mV デバイスで ±56mV)、絶縁型アンプの精度はデータシートに規定されていませんが、絶縁型アンプは線形領域と同様の精度で電圧を引き続き出力します。最大電流振幅の精度要件が公称測定値と比較して緩和されている場合、一部のアプリケーションではこれを許容できる可能性があります。

次に、標準抵抗値と公称電流の大きさを使用して、シャント抵抗の消費電力定格を 3W と仮定し、シャント抵抗で消費される電力を計算します。

式 6. F o r   ± 50   m V :   P   =   I m a x 2   ×   R   =   ( 18   A ) 2   ×   ( 1   m Ω )   =   0.32   W , F o r   ± 250   m V :   P   =   I n o m 2   ×   R   =   ( 18   A ) 2   ×   ( 5   m Ω )   =   1.62   W

±50mV の計算では、公称消費電力は定格消費電力の 1/8 未満です。このシャント抵抗は、公称電流を測定するときに自己発熱によって大きくドリフトしないようにする必要があります。±250mV の計算の結果、消費電力は定格消費電力の半分を超えます。これは、公称電流範囲を測定するときに大きな温度ドリフトが発生する可能性があることを意味します。

シャント抵抗での放熱を低減するには、プリント基板の大きなプレーンを形成したり、ヒートシンクやファンを使用したりするなど、追加の対策を講じることもできます。大電流のアプリケーションの場合、[5] で使用されている方法である絶縁型アンプのフルスケール入力範囲に一致するように、オペアンプを使用して入力信号を獲得することにより、入力範囲を最大化できます。

高い公称電流の大きさを測定するほとんどのアプリケーションでは、±50mV より小さい入力電圧範囲を持つテキサス・インスツルメンツの AMC1302 または AMC3302 などの絶縁型アンプを選択することをお勧めします。

最後のステップは、最大電流振幅での消費電力がシャント抵抗の定格消費電力を超えないことを確認することです。これは、定格消費電力を超えるとシャント抵抗に永続的な損傷を与える可能性があるためです。

式 7. F o r   ± 50   m V :   P   =   I m a x   2   ×   R   =   ( 52   A ) 2   ×   ( 1   m Ω )   =   2.70   W  

例と同様の測定結果については、[6] を参照してください。