개요: 이 애플리케이션 노트에서는 하이 사이드 전류 감지 증폭기가 내장된 아날로그 멀티플라이어를 사용하여 휴대용 장치와 노트북 컴퓨터에서 배터리 충전 및 방전 전류를 측정하는 방법에 대해 설명한다. 여기에 제공되는 회로는 아날로그 멀티플라이어의 입력 중 하나에 ADC의 기준전압을 제공하여 측정의 정확도를 향상시킨다.
머리말
하이 사이드 전류 감지 앰프는 신뢰성과 정확도가 요구되는 다양한 애플리케이션에 사용된다. 컴퓨터 노트북에서 이러한 전류 감지 앰프는 배터리의 충전 및 방전 전류뿐 아니라 방열과 전력 소모를 제어하기 위해 전력을 낮출 필요가 있는 USB 포트와 다른 공급 전원의 전류를 모니터링한다. 또한 휴대용 가전 장치에서는 Li+ 배터리의 충전 및 방전 전류를 모니터링하며 자동차 애플리케이션에서는 배터리 전류를 모니터링하는 외에도 모터 제어나 GPS 안테나 검출을 수행할 수 있다. 마지막으로 하이 사이드 전류 감지 앰프는 텔레콤 기지국에서 전력 증폭기의 전류를 모니터링한다.
많은 애플리케이션에서 하이 사이드 전류 감지 앰프는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)에 직접 인터페이싱된다. 일부 ADC는 외부 기준전압을 사용하여 풀 스케일 입력 범위를 결정하므로 측정의 정확도는 기준전압의 정밀도에 따라 달라진다.
이 애플리케이션 노트에서는 하이 사이드 전류 감지 앰프가 내장된 아날로그 멀티플라이어를 사용하여 다양한 애플리케이션에서 배터리 충전 및 방전 전류를 측정하는 방법에 대해 설명한다. 이 설계 방법은 아날로그 멀티플라이어의 입력 중 하나에 ADC의 기준전압을 제공하여 측정의 정확도를 향상시킨다.
하이 사이드 vs. 로우 사이드 전류 측정 기술
전류를 측정하는 두 가지 일반적인 설계 방법으로 하이 사이드와 로우 사이드 기술이 있다. 하이 사이드 전류 측정 구조는 배터리와 같은 전압 소스와 부하 사이에 직렬로 연결된 감지 저항을 사용한다. 이와 반대로 로우 사이드 구조에서 수행되는 측정은 접지 경로와 직렬로 연결된 감지 저항을 사용한다. 로우 사이드 구조는 하이 사이드 방법과는 달리 두 가지 중요한 단점을 갖는다. 첫째, 로우 사이드 설계에서 부하가 우연히 접지로 단락되면 전류 감지 앰프가 바이패스되어 단락을 검출할 수 없다. 둘째, 로우 사이드 구조는 접지 경로에 바람직하지 않은 저항을 발생시켜 접지 플레인을 분리시킨다. 하이 사이드 방법은 한 가지 단점을 갖는다. 전류 감지 앰프는 가능한 높은 전압의 공통 모드 입력을 유지할 수 있어야 하는데, 이를 높은 전압 소스에 의존해야 한다는 점이다. 로우 사이드 구조는 접지 감지 기능이 있는 공통 모드 입력을 가지고 있는 경우 간단한 op 앰프를 사용하여 구현할 수 있다. 하이 사이드 구조는 보통 전류 감지 앰프를 중심으로 설계된다.
하이 사이드 전류 감지 앰프를 이용한 전력 측정
MAX4211은 아날로그 멀티플라이어가 내장된 하이 사이드 전류 감지 앰프이다. 이 소자는 그림 1과 같이 부하에 공급되는 전력을 측정한다. 부하에 공급되는 전력은 부하 전압과 부하 전류의 곱으로 정의된다. 하이 사이드 전류 센서는 부하 전류에 비례하는 전압 출력을 제공한다. 이 전압은 아날로그 멀티플라이어에 공급되며, 멀티플라이어의 다른 입력은 부하 전압을 직접 감지한다. 아날로그 멀티플라이어의 출력은 부하 전력에 비례하는 전압이다.
그림 1. 이 설계에서 MAX4211은 부하 전류와 부하 전압을 곱하여 부하에 의해 소비되는 전력에 비례하는 아날로그 출력 전압을 제공한다.
하이 사이드 전류 감지 앰프에서 아날로그 멀티플라이어의 다른 용도
아날로그 멀티플라이어를 사용하는 또 다른 방법이 있다. 아날로그 멀티플라이어의 외부 입력을 부하 전압에 연결하는 대신 ADC의 외부 기준전압에 연결하는 것이다. 이러한 설계에서 아날로그 멀티플라이어는 전력을 측정하는 것이 아니라, 전류 감지 앰프의 전압 출력을 ADC의 기준전압과 연관시킨다.
그림 2는 MAX4211이 배터리 충전 및 방전 전류를 측정하는 이러한 애플리케이션을 보여준다. 전압 출력 POUT은 0 ~ VREF의 입력 전압 범위를 갖는 16비트 ADC에 공급된다. 이 경우 VREF는 외부 전압 레귤레이터에 의해 공급되며 1.2 ~ 3.8V 범위에 있어야 한다(이 예에서는 3.8V). 아날로그 멀티플라이어 입력은 0 ~ 1V 사이의 전압을 받아들이므로, 2개의 저항 R1과 R2는 3.8V 기준전압을 분배한다. R2 = 1kΩ, R1 = 2.8kΩ이라고 가정하면 VIN = 1V가 된다. MAX4211의 이득은 25이고 감지 전압 범위(VSENSE)는 0 ~ 150mV로, 이는 0 ~ 3.75V 사이에서 POUT과 IOUT에 모두 출력 전압을 발생시킨다(부하에 흐르는 전류에 비례).
그림 2. 이 설계에서 MAX4211은 외부 기준전압이 내장된 ADC를 사용하여 배터리 충전 및 방전 전류를 측정한다.
그림 3은 내부 기준전압을 갖는 ADC가 내장된 동일한 애플리케이션을 보여준다. 여기에 제공되는 애플리케이션은 ADC의 기준전압이 외부 또는 내부일 때 적용할 수 있다.
그림 3. 이 설계에서 MAX4211은 기준전압이 내장된 ADC를 사용하여 배터리 충전 및 방전 전류를 측정한다.
전류 감지 앰프의 IOUT 출력 대신 POUT 출력을 사용하면 ADC에 공급되는 신호(부하 전류에 비례)가 VREF 전압에 의해 조정된다는 장점을 갖는다. 또한 POUT 출력을 사용하면 기준전압에서 요구되는 정확도 레벨을 완화시킬 수 있다. 이와 같이 기준전압에 대한 요구를 낮출 수 있는 것은 ADC에 의해 생성된 디지털 코드가 입력 신호와 기준전압(풀 스케일 값을 나타냄) 간의 비에 따라 달라지기 때문이다. POUT은 기준전압의 직접 함수이므로 ADC 측정은 원칙적으로 기준전압의 정확도와는 별개이다.
그러나 IOUT가 ADC에 연결되었다면 ADC에서는 기준전압의 모든 오차가 풀 스케일 오차로 나타난다. 다음의 두 수식은 ADC의 입력과 ADC 풀 스케일 비를 나타내며 이러한 개념을 보여준다.
POUT 출력을 사용하는 수식 1은 VREF의 정확도에 의존하지 않는다. IOUT 출력을 사용하는 수식 2는 VREF 정확도의 역함수 특성을 갖는 오차를 생성한다.
그림 2와 3에 보이는 시스템의 전체 정확도는 많은 요인에 의해 결정되는데, 이에는 저항 허용오차, 증폭기의 이득 오차, 전압 오프셋 및 바이어스 전류, 기준전압 정확도, ADC 오차 및 드리프트 vs. 온도 등이 포함된다. 그림 2와 3에 보이는 솔루션은 MAX4211의 아날로그 멀티플라이어를 사용하여 오차의 원인 중 하나(기준전압의 부정확성)를 제거함으로써 시스템 정확도를 향상시킨다.
VREF 정확도에 영향을 미칠 수 있는 오차 원인에는 최소한 다음 3가지의 원인이 있다.
초기 DC 오차 (공칭값의 백분율)
부하의 변화에 따른 VREF 값의 변화
온도의 변화에 따른 VREF 값의 변화
그림 4는 위의 목록에서 두 번째 오차 원인을 보여준다. 이 경우 높은 부하가 VREF에 연결되어 있으며 부하가 증가함에 따라 전압이 3.8V에서 1.2V로 떨어진다. POUT은 VREF 강하 프로파일과 일치하므로 그에 따라 변화한다.
그림 4. 데이터는 부하의 변화에 따라 VREF가 어떻게 변화하는지를 보여준다. POUT/IOUT vs. VREF (VSENSE = 125mV일 때)
다음의 그림 5, 6, 7은 온도의 변화에 따른 VREF와 MAX4211 출력의 변화를 보여준다. 여기서 VSENSE는 100mV에서 일정하게 유지되고 VCC = 5V이다. 그림 2 회로의 온도는 -40°C ~ +85°C 범위에서 (중간 단계로 -20°C, 0°C, +25°C, +45°C, +65°C에서) 변화한다. 그림 5는 온도에 대한 VIN의 프로파일을 (온도에 대한 VREF의 드리프트의 결과로) 보여준다.
그림 5. VIN vs. 온도
그림 6은 MAX4211의 IOUT vs. IOUT/VIN 비의 프로파일을 보여주는데, 이 비는 ADC의 입력 신호/풀 스케일 비에 비례한다(ADC가 IOUT에 의해 구동된다고 가정할 때).
그림 6. IOUT vs. IOUT/VIN (VSENSE = 100mV일 때)
IOUT/VIN 비는 그림 5의 VIN 프로파일에 따라 달라짐을 분명히 알 수 있다. 그림 5에서 0°C ~ +45°C 사이의 강하는 그림 6의 IOUT/VIN 프로파일에서 동일한 온도 범위의 솟은 지점에 해당된다. ADC 측정은 온도와 함께 기준전압 VREF의 변화에 영향을 받는다.
마지막으로 그림 7은 MAX4211의 POUT vs. POUT/VIN 비의 프로파일을 보여준다. 여기에서도 POUT/VIN은 ADC의 입력 신호/풀 스케일 비에 비례한다.
그림 7. POUT vs. POUT/VIN (VSENSE = 100mV일 때)
그림 7은 POUT/VIN 비가 그림 5에 보이는 온도에 대한 IN 프로파일에 독립적이라는 것을 보여준다. 0°C와 +45°C 사이의 VIN 강하는 이미 POUT 출력에 의해 "흡수"되었으므로 POUT/VIN 비에는 나타나지 않는다. ADC 측정은 온도에 대한 VREF 프로파일의 영향을 받지 않는다.
그림 8은 IOUT/VIN과 POUT/VIN을 이상적인 선형 추세선과 함께 표시하여 이러한 개념을 간략히 보여준다.
그림 8. POUT/VIN vs. IOUT/VIN (VSENSE = 100mV일 때)
결론
하이 사이드 전류 감지 앰프가 내장된 통합 아날로그 멀티플라이어는 주로 부하에서 전력을 측정할 때 사용되지만 다른 애플리케이션에서도 이 통합 멀티플라이어를 사용할 수 있다. 또 전류 감지 앰프를 내부 또는 외부 기준전압을 사용하는 ADC에 연결할 수 있다. 두 경우 모두 측정의 전체 정확도는 기준전압(VREF)의 정확도에 따라 많이 좌우된다. 한편 부하 전류 측정에 VREF를 곱하면 ADC 측정의 전체 정확도는 더 이상 기준전압 오차의 영향을 받지 않는다. 이러한 새로운 방식의 설계를 사용하면 정확도가 낮은 저가의 기준전압을 사용하여도 측정의 정확도를 높일 수 있다.
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