精密電力調整のための電流センスアンプのオプション

多くの設計者は、プロセッサやメモリの選択、高速インターフェースのルーティング、RF機能の追加など、PCB設計の楽しい部分に多くの注意を払います。しかし、時として軽視されがちなのが電力調整戦略です。電力レギュレータは入力電圧が安定している限りにおいてのみ安定します。入力電圧に大きな変動がある場合や、デバイスの寿命中に低下することが予想される場合、出力を望ましい値に安定させる何らかの方法を見つける必要があります。

低電圧システムや、電圧の低下が比較的小さい（望ましい出力の20%程度）システムでは、入力電圧をある望ましい値に調整し、その後LDOを使用して出力を調整するという戦略が考えられます。LDOを導入すると、効率の悪い線形レギュレータが発生し、多くの熱を発生させる可能性があります。ヘッドルームが比較的低い場合にのみ、LDOのみを使用することが十分です。

入力が広範囲の値に振れるシステムで電力を調整するためのより良いオプションがあります。これには電流センスアンプを使用し、スイッチングレギュレータのフィードバックループに使用することが含まれます。電流センスアンプを使用することで、レギュレータのフィードバックループに注入される電力を調整するか、またはMCUでPWM信号を制御するための出力を使用することができます。次の電力レギュレータ用のいくつかの電流センスアンプオプションがあります。

電流センスアンプの使用方法

電流センスアンプの目的はかなり明確です：デバイスの入力にある電流に比例する電圧を出力します。これらのシステムでの電流は、外部または内部の精密抵抗器を使用して測定することができます。これらは基本的にオペアンプ回路で、入力として電圧測定を取り、出力はフィードバックを使用して増幅されます。冒険心があるなら、離散コンポーネントから自分自身の電流センスアンプを構築することも確かに可能ですが、主要なICメーカーからさまざまな電流センスアンプが提供されています。これらのICは、さまざまな電圧および電流出力を提供し、高電力レギュレータ回路に簡単に統合することができます。

電流センスアンプは電力レギュレータ設計のどこに配置する必要がありますか？答えは：フィードバックループ内です。一例として、アンプは安価なレギュレータからの出力の電流を測定し、出力を調整するためにレギュレータ回路に電力をフィードバックするために使用されます。これは以下のブロック図に示されています。

スイッチングレギュレータを制御するためにPWM信号を調整するために使用される電流センスアンプ。

一部の電流センスアンプは、標準の高速インターフェースを介してプログラム可能です。PWM信号を調整するのではなく、MCUなどの別のデバイスで出力のゲインをプログラムできます。これらのデバイスは、標準のレギュレータICなしで、カスタムレギュレーション回路内のスイッチングパワーMOSFETへのフィードバックにより、電力調整にも使用できます。

電流センスアンプの重要な仕様

電流センスアンプを選択し、電力調整回路に統合する際に考慮すべきいくつかの重要な仕様は以下の通りです。

• 定格最大入力電圧：電流センスアンプは通常、直接電流ではなく、精密抵抗器を介した電圧を測定しています。入力電圧制限は、レギュレータ段階からの出力よりも大きくなければなりません。
• 共通モード対差動モード入力：共通モードは、DCおよび低周波AC電力に対する最も一般的な入力タイプです。
• 出力ゲイン：出力ゲインはハードウェアレベルで定義され、システムで補償できる電圧ドロップのレベルを決定します。
• 入力バイアス電流：入力は通常高インピーダンスなので、非常に低い電流を引くべきです。典型的な値はマイクロアンペアレベルです。

他にも重要な仕様はありますが、これらの仕様は電力調整用のコンポーネントを選択する際の出発点として最適です。

電流センスアンプのオプション

Texas Instruments, INA223

Texas InstrumentsのINA223プログラマブルゲイン電流センスアンプは、26V入力まで動作し、SPIを介したプログラマブルインターフェースを含んでいます。このデバイスは、高側電流検出のための外部センス抵抗器を使用して3.3V入力を使用します。高側抵抗器は、最大オフセット電圧10〜20mV（出力ゲインによって異なる）を超える入力電圧が必要です。以下に典型的なアプリケーション回路を示します。

INA223データシートからの例示アプリケーション図。

Analog Devices, LTC6102

Analog DevicesのLTC6102電流センスアンプは、Linearから取得した古いコンポーネントですが、依然として生産中であり、高電圧レギュレータには優れた選択肢です。標準バリアントは4から60Vの入力を許容し、高電圧バリアント（LTC6102HV）は5から100Vで動作します。このコンポーネントは、DCから約200kHzまでの高帯域幅を持ち、温度に対する出力電圧の安定性が非常に高いです。

LTC6102およびLTC6102HVの電流センスアンプバリアントにおける温度変化に伴う出力電流および電圧の変動。LTC6102データシートより。

Maxim Integrated, MAX4172

Maxim IntegratedのMAX4172は、レギュレータフィードバックループに組み込むのに理想的です。このコンポーネントは、最大32Vの入力電圧で高側電流監視を提供します。全スケール電流およびスケーリングファクター（出力電圧/センス電流）は、レギュレータ出力上の適切な高側センス抵抗を選択することで調整できます。このコンポーネントの出力誤差は、周囲温度で約2%であり、極端な動作温度でも+/-6%を超えません。

MAX4172データシートからの機能ブロック図。

さまざまな電流および電圧範囲で使用するための電流センスレギュレータICの幅広い範囲があります。電力調整に必要なコンポーネントを探しているとき、Octopartが必要なコンポーネントを見つけるお手伝いをします。

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