저항 전류 감지:로우사이드 대 하이사이드 감지

하이사이드와 로우사이드 저항성 전류 감지의 차이점은 무엇입니까? 이 문서에서는 기본 사항과 각각이 더 적절한 디자인 선택인 경우에 대해 설명합니다.

전력 관리, 배터리 충전, 모터 제어 및 과전류 보호와 같은 많은 애플리케이션은 저항성 전류 감지의 이점을 누릴 수 있습니다. 부하와 직렬로 전류 감지 저항을 배치하는 방법에는 로우사이드 및 하이사이드 전류 감지의 두 가지 옵션이 있습니다.

이 기사에서 우리는 이 두 가지 방식을 살펴보고 기본적인 장점과 단점에 대해 논의할 것입니다.

저항 전류 감지

저항 전류 감지는 낮거나 중간 수준의 전류를 처리할 때 인쇄 회로 기판 어셈블리에 널리 사용됩니다. 이 기술을 사용하면 알려진 저항 R_shunt 부하와 직렬로 배치되고 저항 양단에서 발생하는 전압을 측정하여 부하 전류를 결정합니다. 이것은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1

션트 저항 또는 단순히 션트라고도 하는 전류 감지 저항은 일반적으로 밀리옴 범위의 값을 갖습니다. 매우 높은 전류 애플리케이션의 경우 션트 저항기의 값은 저항기에 의해 소모되는 전력을 줄이기 위해 밀리옴의 일부일 수도 있습니다.

저항 값이 작더라도 특히 고전류 애플리케이션의 경우 션트 전력 손실이 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어, R=1mΩ 및 I=100A일 때 션트 저항에 의해 소비되는 전력은 다음과 같습니다.

\[P =R \times I^2 =0.001 \times 100^2 =10W\]

저항 값이 작으면 저항 양단의 전압 강하도 작습니다. 이것이 증폭기가 션트 저항에서 발생하는 작은 전압을 업스트림 회로에 적합한 충분히 큰 전압으로 변환하는 데 필요한 이유입니다.

하이사이드 전류 감지에서 증폭기가 CMRR(Common-Mode Rejection Ratio) 사양과 관련하여 엄격한 요구 사항을 가질 수 있다는 점에 대해 논의할 것입니다.

로우사이드 및 하이사이드 감지

션트 저항기를 부하와 직렬로 배치하는 두 가지 옵션이 있습니다. 이 두 가지 배열을 로우사이드 및 하이사이드 전류 감지 방법이라고 하며 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. (a) 로우사이드 전류 감지 및 (b) 하이 사이드 전류 감지 기술.

로우사이드 구성에서 전류 감지 저항(R_shunt ) 전원 공급 장치의 접지 단자와 부하의 접지 단자 사이에 배치됩니다. 하이 사이드 방식에서는 션트 저항이 전원 공급 장치의 양극 단자와 부하의 공급 입력 사이에 배치됩니다.

각 방법의 장단점을 알아보겠습니다.

하이사이드 대 로우사이드 감지:공통 모드 값

R_shunt =1mΩ 및 I=100A. 이 큰 전류에서도 션트 저항기의 전압 강하는 100mV에 불과합니다. 따라서 로우사이드 션트 저항에 걸리는 전압의 공통 모드 값은 접지 전위보다 약간 높습니다. 그리고 하이 사이드 구성의 경우 션트 저항 양단 전압의 공통 모드 레벨은 부하 공급 전압에 매우 가깝습니다.

로우 사이드 전류 감지에 사용되는 증폭기는 작은 공통 모드 전압을 다루기 때문에 높은 공통 모드 제거비(CMRR)를 가질 필요가 없습니다. 공통 모드 제거 비율은 증폭기의 두 입력에 공통인 신호에 대해 증폭기가 나타내는 감쇠 정도를 지정합니다. 로우 사이드 전류 감지 구성의 경우 공통 모드 값이 거의 0이기 때문에 증폭기 CMRR 요구 사항이 크게 완화되어 결과적으로 간단한 증폭기 구성을 사용할 수 있습니다.

그림 3은 로우사이드 전류 감지에 사용할 수 있는 기본 증폭기를 보여줍니다.

그림 3

이 예에서 증폭기는 연산 증폭기와 2개의 이득 설정 저항 R1 및 R2로 구성됩니다. 이것은 실제로 연산 증폭기의 비 반전 구성입니다. 이 증폭기의 보다 친숙한 회로도는 다음과 같습니다.

그림 4

V_shunt의 증폭된 버전인 출력 다음 방정식으로 찾을 수 있습니다.

\[V_{out} =\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{in} =\left(1 + \frac{R_2} {R_1}\right) V_{shunt}\]

반면에 하이 사이드 전류 감지에 사용되는 증폭기는 큰 공통 모드 전압을 처리해야 합니다. 증폭기는 큰 공통 모드 입력이 출력에 나타나는 것을 방지하기 위해 높은 CMRR을 가져야 합니다. 이것이 하이사이드 전류 감지를 위해 특수 증폭기 구성이 필요한 이유입니다. 이러한 증폭기는 높은 CMRR을 나타내고 최대 부하 공급 전압까지 입력 공통 모드 범위를 지원해야 합니다.

부하 공급 전압이 증폭기에 사용되는 공급 전압보다 훨씬 큰 3상 모터 제어 애플리케이션과 같은 많은 하이사이드 전류 감지 애플리케이션이 있다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 따라서 하이 사이드 감지 구성에서 증폭기의 입력 공통 모드는 일반적으로 공급 전압보다 훨씬 커야 하며, 이는 증폭기 설계를 매우 어렵게 만드는 요구 사항입니다.

로우 측 방법은 접지 루프 문제를 일으킬 수 있음

로우 사이드 감지 방법은 증폭기 설계를 단순화하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 로우사이드 전류 측정은 접지 경로에 추가 저항을 배치합니다. 따라서 모니터링되는 회로의 접지는 시스템 접지보다 약간 높은 전위에 있습니다. 이것은 일부 아날로그 회로에서 문제가 될 수 있습니다.

모니터링되는 회로의 접지는 시스템의 다른 부하와 같은 전위에 있지 않기 때문에 윙윙거리는 소리와 같은 가청 노이즈를 유발하는 접지 루프 문제가 있거나 주변 장비와의 간섭까지 발생할 수 있습니다. 이러한 제한으로 인해 로우사이드 전류 감지는 일반적으로 하나의 절연 부하를 처리하거나 부하가 접지 노이즈에 민감하지 않은 애플리케이션에서 사용됩니다. 드론, 드릴 및 왕복 톱과 같은 애플리케이션에서 비용에 민감한 모터 제어는 일반적으로 소비자 시장 공간에서 경쟁할 수 있도록 로우사이드 감지를 사용합니다.

로우 사이드 방법이 오류 감지를 감지할 수 없음

로우사이드 전류 감지가 감지할 수 없는 다양한 오류 조건이 있습니다. 그림 5는 모니터링되는 회로의 전원 공급 장치와 시스템 접지 사이에 단락이 발생한 예를 보여줍니다.

그림 5

고장 전류, I_단락 , 버스 전압에서 시스템 접지로 직접 흐르고 션트 저항기를 거치지 않습니다. 따라서 전류 모니터 회로는 이 오류 상태를 감지하지 못합니다. 또한 로우사이드 전류 감지는 모니터링되는 회로의 접지와 시스템 접지 사이의 단락을 감지할 수 없습니다(그림 6).

그림 6

그러나 하이 사이드 전류 감지는 션트 저항에서 다운스트림에서 발생하는 오류 조건을 감지할 수 있습니다. 이것은 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7

이 경우 고장 전류는 션트 저항을 통과합니다. 따라서 전류 측정 회로는 단락 상태를 감지하고 적절한 수정 조치를 트리거할 수 있습니다.

하이사이드 전류 감지로 배선 단순화

로우사이드 전류 감지의 또 다른 단점은 시스템 접지를 사용할 수 있는 경우에도 모니터링되는 회로에 전원을 공급하기 위해 2개의 와이어가 필요하다는 것입니다. 예를 들어, 자동차 애플리케이션에서 자동차 섀시는 공통 접지 역할을 합니다. 섀시가 시스템 접지 수준에 있으므로 부하에 전원을 공급하기 위한 단일 와이어만 필요합니다. 그러나 부하를 통과하는 전류가 로우 사이드 측정 기술로 모니터링되면 시스템 접지를 사용할 수 없으며 부하에 두 개의 와이어가 필요합니다. 하이 사이드 감지 기술은 모니터링되는 부하에 대해 시스템 접지를 사용하기 때문에 이러한 제한이 없습니다. 이것이 하이사이드 센싱이 자동차 애플리케이션에 더 적합한 이유입니다.

다음 기사에서는 그림 3의 회로도를 더 자세히 살펴보겠습니다. 이 구조는 PCB 트레이스 저항에도 취약하며 차동 증폭기를 사용하여 보다 정확한 측정을 수행할 수 있음을 알 수 있습니다.

결론

로우 사이드 감지의 주요 장점은 비교적 간단한 구성을 사용하여 션트 저항기의 전압을 증폭할 수 있다는 것입니다. 그러나 로우 사이드 전류 감지는 접지 교란에 민감하고 오류 조건을 감지할 수 없습니다. 로우사이드 전류 감지는 일반적으로 소비자 시장 공간에서 경쟁할 수 있어야 하는 비용에 민감한 모터 제어 애플리케이션에 사용됩니다.

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