개요: 이 애플리케이션 노트에서는 하이 사이드 전류 감지 앰프의 일부 성능 특성에 대해 살펴보고, 이와 같이 감지 입력에 직렬 저항을 갖는 앰프의 사용 방법을 설명한다. 이 설계 방법은 특히 고전압 레일에서 감지 저항을 통과하는 작은 전압을 증폭하여 이를 저전압 ADC나 저전압 아날로그 제어 루프에 공급해야 하는 애플리케이션에 유용하다. MAX4173과 MAX4372의 테스트 데이터가 제공된다.
머리말
기능적인 동작으로 볼 때 전류 감지 앰프는 가변 입력 단을 갖는 계측/차동 앰프로 간주할 수 있다. 이는 소자가 VCC = 3.3V 또는 5V의 단일 전원으로부터 전력을 공급받는 경우에도 이러한 공급 전원보다 훨씬 높은 공통 모드 전압에서 입력 차동 신호를 증폭할 수 있음을 의미한다. 예컨대 전류 감지 앰프의 공통 모드 전압은 최대 28V(MAX4372 및 MAX4173)와 76V(MAX4080 및 MAX4081)가 될 수 있다.
전류 감지 앰프의 이러한 성능 특성은 고전압 레일에서 감지 저항을 통과하는 작은 전압을 증폭하여 이를 저전압 ADC나 저전압 아날로그 제어 루프에 공급해야 하는 하이 사이드 전류 감지 애플리케이션에 매우 유용하다. 이러한 애플리케이션에서 전류 감지 신호는 소스에서, 즉 감지 저항을 통과시켜 자주 필터링해야 할 필요가 있다. 이 설계는 차동 필터(그림 1)를 사용하여 갑작스럽게 변할 수 있는 부하 전류와 감지 전압을 매끄럽게 하거나 공통 모드 필터(그림 2)를 사용하여 공통 모드 전압 스파이크와 일시적 과전압에 대한 ESD 동작 및 내성을 향상시킬 수 있다. 이러한 필터는 적절한 부품 값을 선택하면 성공적으로 구현할 수 있지만, 잘못된 부품 값을 선택할 경우에는 계획에 없는 입력 오프셋 전압과 이득 오차가 발생하여 회로 성능을 저하시킬 수 있다.
그림 1. 일정하지 않은 부하 전류를 매끄럽게 하는 차동 필터 회로 다이어그램
그림 2. ESD 스파이크와 공통 모드 과전압에 대한 내성을 향상시켜주는 공통 모드 필터 회로 다이어그램
사용할 필터 결정
이제 그림 3에 보이는 MAX4173 전류 감지 앰프를 살펴보자. 이 소자는 칩의 RS+ 및 RS- 단자에 직접 연결된 감지 저항을 갖고 있다. 감지 저항을 통과하는 차동 전압은 내부 op 앰프에 의해 RG1에 걸쳐 값을 가지게 되므로 ILOAD x RSENSE = VSENSE = IRG1 x RG1이 된다. 이 전류(IRG1)는 내부 전류 미러에 의해 레벨 시프팅 및 증폭되어 출력 전류 IRGD를 생성한다. MAX4173의 내부 회로는 RGD = 12k 및 RG1 = 6k를 구현한다.
따라서,
VOUT = RGD x IRGD = RGD x 이득 x IRG1 = RGD x 이득 x VSENSE/RG1
RGD와 RG1은 온 칩 저항이므로, 이들의 실제 값은 보통 반도체 공정의 차이로 인해 최대 ±30%의 오차가 있다. 그러나 최종 이득 정확도를 결정하는 것은 RGD와 RG1의 비율이므로 최종 이득은 제조 시에 적절히 제어하고 간편하게 트리밍할 수 있다.
그림 3. MAX4173의 내부 기능 다이어그램
그러나 직렬 저항을 감지 저항의 RSENSE+와 RSENSE- 단자 사이에 삽입하고 부품의 RS+와 RS- 핀으로 차동/공통 모드 필터를 구현(그림 1과 그림 2)하면 칩은 RG1과 RG2가 변형된 것처럼 동작한다. 위의 수식에서 트리밍된 RG1을 수정하면 이득 오차가 발생한다는 것은 분명하다. 또한 RG1의 절대값이 최대 ±30%의 차이가 있기 때문에 이득 오차도 ±30%까지 달라질 수 있어 여러 부품들 간에 제어와 예측이 불가능하다. 따라서 이러한 이득 오차를 제어하는 유일한 방법은 입력 직렬 저항 RSERIES+를 RG1보다 작게 유지하는 것이다.
이 밖에도 저항 RG1과 RG2 간의 부정합은 소자의 입력 바이어스 전류에 의해 입력 오프셋 전압으로 변환된다. MAX4173과 MAX4372 데이터 시트에서는 바이어스 전류 IRS-가 IRS+의 두 배라는 것을 보여주므로, 입력 오프셋 전압을 상쇄하기 위해서는 RG1(RSERIES+)과 직렬로 연결된 저항이 RG2(RSERIES-)와 직렬로 연결된 저항의 두 배가 되어야 한다. 유사한 바이어스 전류 특성이 다음의 전류 감지 앰프 MAX4073, MAX4172, MAX4373–MAX4375, MAX4376–MAX4378에 존재한다. 따라서 적절한 차동/공통 모드 필터 설계를 위해 유사한 방법을 사용하여 입력 저항의 크기를 조절할 수 있다.
요약 및 검증
요약하면 다음과 같은 조건에서 감지 저항과 RS+ 및 RS- 핀 사이에 직렬 저항을 갖는 입력 필터로부터 이상적인 성능을 얻을 수 있다는 것이다.
RSENSE+와 RS+ 사이의 직렬 저항은 RG1에 대해 작게 유지한다.
RSENSE+와 RS+ 사이의 직렬 저항은 RSENSE-와 RS- 사이의 저항보다 두 배 크게 한다.
마지막으로 RSERIES+는 RSERIES-의 두 배이므로 원하는 AC와 과도 성능 목표를 만족할 수 있도록 공통 모드 필터 커패시터도 적절히 조정할 필요가 있다.
표 1의 벤치 테스트 결과는 MAX4173T를 사용하여 얻었으며 위의 내용을 뒷받침한다. VOS의 최소 및 최대값은 데이터 시트의 최소 및 최대 바이어스 전류를 사용하여 계산하였으며, 최소 및 최대 이득 오차는 RG1 = 6k의 ±30%를 사용하여 계산하였다.
표 1. MAX4173 직렬 저항 테스트 결과
마찬가지로 MAX4372F에서 얻은 벤치 결과는 아래의 표 2에 나와 있다(RG1 = 100k).
표 2. MAX4372 직렬 저항 테스트 결과
계산된 최소 및 최대 이득 오차와 최소-최대 VOS의 전개는 다음과 같다.
이전 이득
= 상수 x RGD/RG1
= 20 (MAX4173의 T 버전)
새로운 이득
= 상수 x RGD/RG1new, RG1new = RG1 + RSERIES+
= 이전 이득 x RG1/RG1new
= 20 x RG1/(RG1 + RSERIES+)
이득 오차
= (20 - 새로운 이득)/20%
= RSERIES+/(RG1 + RSERIES+)
최소 이득 오차
= RSERIES+/(1.3 x RG1 + RSERIES+)
최대 이득 오차
= RSERIES+/(0.7 x RG1 + RSERIES+)
RG1 = 6k (MAX4173)
VOS = IBIAS2 x RG2new - IBIAS1 x RG1new
= IBIAS1 x ((2 x RSERIES-) - RSERIES+)
여기서, IBIAS2 = 2 x IBIAS1
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