저측 vs 고측 저항성 전류 감지: 실용적 설계 선택

고측과 저측 저항성 전류 감지의 차이점은 무엇인가? 이 글에서는 기본 원리와 각각이 더 적절한 설계 선택이 되는 경우를 설명합니다.

전력 관리, 배터리 충전, 모터 제어, 과전류 보호 등 많은 응용 분야에서 저항성 전류 감지의 이점을 누릴 수 있습니다. 부하와 직렬로 전류 감지 저항을 배치하는 두 가지 옵션이 있습니다: 저측 및 고측 전류 감지.

이 글에서는 이 두 배열을 살펴보고 기본적인 장단점을 논의합니다.

 

저항성 전류 감지

저항성 전류 감지는 저~중간 전류 수준을 다룰 때 인쇄 회로 기판 어셈블리에서 널리 사용됩니다. 이 기술에서 알려진 저항 R_shunt가 부하와 직렬로 배치되고, 저항 양단에 발생하는 전압을 측정하여 부하 전류를 결정합니다. 이는 그림 1에 나와 있습니다.

 

그림 1

 

전류 감지 저항(셔트 저항 또는 단순히 션트)은 일반적으로 밀리옴 단위의 값을 가집니다. 매우 높은 전류 응용 분야에서는 션트 저항 값이 밀리옴의 일부분일 수도 있어 저항에 의한 전력 소모를 줄입니다.

작은 저항 값이라도 션트 전력 소모가 문제가 될 수 있습니다. 특히 높은 전류 응용 분야에서 그렇습니다. 예를 들어 R=1mΩ이고 I=100A일 때 션트 저항에 의한 전력 소모는:

 

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

 

작은 저항 값은 저항 양단의 전압 강하도 작게 만듭니다. 그래서 션트 저항 양단에 발생하는 작은 전압을 업스트림 회로에 적합한 충분히 큰 전압으로 변환하기 위해 증폭기가 필요합니다.

고측 전류 감지에서 증폭기는 공통 모드 제거비(CMRR) 사양 측면에서 엄격한 요구 사항을 가질 수 있다고 논의하겠습니다.

 

저측 및 고측 감지

부하와 직렬로 션트 저항을 배치하는 두 가지 옵션이 있습니다. 이 두 배열을 저측 및 고측 전류 감지 방법이라고 하며 그림 2에 나와 있습니다.

 

그림 2. (a) 저측 전류 감지 및 (b) 고측 전류 감지 기술.

 

저측 구성에서 전류 감지 저항(R_shunt)은 전원 공급 장치의 접지 단자와 부하의 접지 단자 사이에 배치됩니다. 고측 방식에서는 션트 저항이 전원 공급 장치의 양극 단자와 부하의 공급 입력 사이에 배치됩니다.

각 방법의 장단점을 살펴보겠습니다.

 

고측 대 저측 감지: 공통 모드 값

R_shunt=1mΩ이고 I=100A라고 가정합니다. 이 큰 전류에서도 션트 저항 양단의 전압 강하는 100mV에 불과합니다. 따라서 저측 션트 저항 양단의 공통 모드 전압 값은 접지 전위보다 약간 높을 뿐입니다. 고측 구성의 경우 션트 저항 양단의 공통 모드 레벨은 부하 공급 전압에 매우 가깝습니다.

저측 전류 감지에 사용되는 증폭기는 작은 공통 모드 전압을 다루므로 높은 공통 모드 제거비(CMRR)가 필요하지 않습니다. 공통 모드 제거비는 증폭기의 양쪽 입력에 공통으로 나타나는 신호를 얼마나 감쇠시키는지를 지정합니다. 저측 전류 감지 구성에서 공통 모드 값이 거의 0이므로 증폭기 CMRR 요구 사항이 크게 완화되어 단순한 증폭기 구성을 사용할 수 있습니다.

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

그림 3

 

이 예에서 증폭기는 오피앰프와 두 개의 이득 설정 저항 R1, R2로 구성됩니다. 이는 실제로 오피앰프의 비반전 구성입니다. 이 증폭기의 더 친숙한 회로도는 아래와 같습니다:

 

그림 4

 

출력은 V_shunt의 증폭된 버전으로 다음 방정식으로 구할 수 있습니다:

 

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

 

반면 고측 전류 감지에 사용되는 증폭기는 큰 공통 모드 전압을 다뤄야 합니다. 증폭기는 큰 공통 모드 입력이 출력에 나타나지 않도록 높은 CMRR을 가져야 합니다. 그래서 고측 전류 감지에는 특수한 증폭기 구성이 필요합니다. 이 증폭기는 높은 CMRR을 나타내고 부하 공급 전압까지 입력 공통 모드 범위를 지원해야 합니다.

3상 모터 제어 응용 분야 같은 많은 고측 전류 감지 응용 분야에서 부하 공급 전압이 증폭기에 사용되는 공급 전압보다 훨씬 큰 경우가 있습니다. 따라서 고측 감지 구성에서 증폭기의 입력 공통 모드는 보통 자체 공급 전압보다 훨씬 커야 합니다. 이는 증폭기 설계를 매우 어렵게 만드는 요구 사항입니다.

 

저측 방식은 접지 루프 문제를 일으킬 수 있음

저측 감지 방식은 증폭기 설계를 단순화하지만 몇 가지 단점이 있습니다. 저측 전류 측정은 접지 경로에 추가 저항을 배치합니다. 따라서 모니터링되는 회로의 접지가 시스템 접지보다 약간 높은 전위에 있게 됩니다. 이는 일부 아날로그 회로에 문제가 될 수 있습니다.

모니터링되는 회로의 접지가 시스템의 다른 부하들과 같은 전위에 있지 않으므로 접지 루프 문제가 발생하여 가청 잡음(험)이나 인근 장비와의 간섭을 초래할 수 있습니다. 이 제한 때문에 저측 전류 감지는 보통 하나의 고립된 부하를 다루거나 부하가 접지 잡음에 민감하지 않은 응용 분야에서 사용됩니다. 드론, 드릴, 왕복 톱 같은 응용 분야의 비용 민감한 모터 제어는 일반적으로 소비자 시장 공간에서 경쟁하기 위해 저측 감지를 사용합니다.

 

저측 방식은 결함 감지를 할 수 없음

저측 전류 감지로 감지할 수 없는 다양한 결함 조건이 있습니다. 그림 5는 모니터링되는 회로의 전원 공급과 시스템 접지 사이에 단락이 발생한 예를 보여줍니다.

 

그림 5

 

결함 전류 I_short는 버스 전압에서 시스템 접지로 직접 흐르며 션트 저항을 통과하지 않습니다. 따라서 전류 모니터링 회로는 이 결함 조건을 감지하지 못합니다. 저측 전류 감지는 모니터링되는 회로의 접지와 시스템 접지 사이의 단락도 감지할 수 없습니다(그림 6).

 

그림 6

 

그러나 고측 전류 감지는 션트 저항 하류에서 발생하는 결함 조건을 감지할 수 있습니다. 이는 그림 7에 나와 있습니다.

 

그림 7

 

이 경우 결함 전류가 션트 저항을 통과합니다. 따라서 전류 측정 회로가 단락 조건을 감지하고 적절한 시정 조치를 트리거할 수 있습니다.

 

고측 전류 감지는 배선 단순화 가능

저측 전류 감지의 또 다른 단점은 시스템 접지를 사용할 수 있어도 모니터링되는 회로에 전원을 공급하기 위해 두 개의 와이어가 필요하다는 것입니다. 예를 들어 자동차 응용 분야에서 차체가 공통 접지 역할을 합니다. 차체가 시스템 접지 레벨에 있으므로 부하에 전원을 공급하기 위해 단일 와이어만 필요합니다. 그러나 부하를 통과하는 전류가 저측 측정 기술로 모니터링되면 시스템 접지를 사용할 수 없고 부하에 두 개의 와이어가 필요합니다. 고측 감지 기술은 모니터링되는 부하에 시스템 접지를 사용하므로 이 제한이 없습니다. 그래서 고측 감지가 자동차 응용 분야에 더 적합합니다.

다음 글에서는 그림 3의 회로도를 더 자세히 살펴보겠습니다. 이 구조가 PCB 트레이스 저항에도 취약하며, 차동 증폭기를 통해 더 정확한 측정이 가능함을 알게 될 것입니다.

 

결론

저측 감지의 주요 장점은 션트 저항 양단의 전압을 증폭하기 위해 비교적 단순한 구성을 사용할 수 있다는 것입니다. 그러나 저측 전류 감지는 접지 교란에 취약하고 결함 조건을 감지할 수 없습니다. 저측 전류 감지는 일반적으로 소비자 시장 공간에서 경쟁해야 하는 비용 민감한 모터 제어 응용 분야에서 사용됩니다.

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