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双方向Hブリッジコンバータのインダクタ電流センサについて

Other Parts Discussed in Thread: INA180, AMC1301, AMC1200, AMC1100, LM5113, TINA-TI, LMD18200

はじめまして.私は大学の研究室の学生で回路をつくっています.ディジタル制御双方向Hブリッジコンバータの研究をしています.これは昇降圧コンバータです.

いろいろ調べたのですが,私は研究を初めて間もないため,インダクタ電流を検出するのに,どの製品を使えばよいのか分かりません.ご教示いただけますでしょうか?必要なことは双方向に対応していることです.あと小型化したいため,できれば小さい方が良いです.はんだづけを楽にするため,なるべく外付け部品はないほうが良いです.仕様は入出力とも3V~20V, 0~3Aです.

この電流センサの用途は過電流保護と,このセンサと出力電圧で負荷状態を感知し,それに応じて最適な補償器をディジタル制御によって設計するためです.よろしくお願いします.

  •    TIの電流センスアンプは、用途によっていろいろあります。

       通常は、Hi-side側またはLo-side側のどちらかでセンスする場合が
    一般的で、その場合CommonVoltageは、高範囲ですが、センスする位置が
    Lo-sideまたはHi-sideのどちらかに決まれば、その電圧はほぼ一定なので
    基本的に、広いCommon Voltage Rangeの電流センスアンプが候補になります。
    (たとえば、INA180/181など)
    www.tij.co.jp/.../ina180.pdf

       しかしH-Bridgeの負荷のInductorの電流を直接センスするためには、
    Switchingしているので、そのCommon Voltageは、Hi-side/Lo-side
    の間を変化します。このCommon VoltageのJumpの影響を避けるため、
    入力Ampと出力Ampを絶縁して、入力AmpをSW電圧で、BootStrapする
    方法でInductorの電流をShunt抵抗で測る絶縁電流センスアンプが
    お勧めです。(AMC1100,AMC1200,AMC1301など)
       AMC1301のDataSheetは、
    www.tij.co.jp/.../amc1301.pdf
    この中の表紙の応用回路例では、Half Bredgeの電流センスの例が
    記載されています。
    ここで、VDD1は、3.3Vor5VのFloatingのBatteryと考えて下さい。
    VDD1とGND1の電位差は、一定ですがGND1はHalf-Bridgeの出力によって
    Boot-Strapされます。そのためCommon VoltageのJumpの影響を少なくする
    ことができます。
      
       技術的なご質問は、Webからカスタマーサポートセンター
    にお問い合わせください。

  • 返信がたいへん遅くなり申し訳ございません.素晴らしい提案ありがとうございます.とても参考になりました.しかし私が初心者ということもあり,このICについて分からないことがいくつかあります.以下それらを述べます.

    下の図は御社のAMC1301のデータシートp25の内容のものですが,VDD1の5Vの作り方が分かりません.なぜFloating Power Suuply20Vから800Ωを入れることで5.1Vを作ることができるのでしょうか?私の回路知識がなくても申し訳ございません.

    ゲートドライバにLM5113を使う場合,AMC1301の使い方は下の図のようでよろしいでしょうか?LM5113のデータシートによると,LM5113のブートストラップコンデンサにかかる電圧は4~5.5Vらしいです.この電圧をVDD1に入力するという方法です.ただしこの方法だとブートストラップコンデンサに溜まっている電力をAMC1301が奪うため,ブートストラップコンデンサの電力が枯渇しないか心配です.

    次に同じくデータシートのp5の内容のものです.VINP, VINNの絶対定格を示していますが,最大定格のVDD1+0.5のVDD1はGND1を基準とした時のVDD1電圧のことを意味しているのでしょうか?もしそうならばVDD1=5Vのとき最大定格は5.5Vとなり,私のアプリケーションだと入力電圧は最大20Vなため,壊れてしまいます.

    下の図は御社のTINA-TIのAMC1100のリファレンス回路です.

    入力を下のように入れると,出力にマイナスの値が現れます.制御ICにこの値を取り込む時,マイナスの値だと取り込めません.どうしたらよいでしょうか?

    その他にも,私にとってオペアンプの使い方は難しいです.何か精度はそこまででも簡単に使えて,実装できるものはないでしょうか?

    たいへんお手数おかけします.よろしくお願いします.

  •    5.1Vになる理由ですが、Z1はZener Diodeで、5.1VにClampしている
     ためC1,C2には5.1Vに充電されます。
    lo-side NMOSがONの時に、前のPhaseで下がった分が充電されて、
    hi-side NMOSがON時に、GND1がほぼHV+にBootされるので、VDD1は、
    HV+より5.1V高い電圧になり、AMC1301の1次側内部回路の電源になります。
    (VDD1-GND1)=~5VでGND1がHV+でもHV-でも、Switchingしている限りでは
    5.1Vは維持されます。

       LM5113をDriverに使うのであれば、LM5113のVDD Pinから
    Diode1個とCbootがあれば、AMC1301のVDD1は作れると思います。
    AMC1301のVDD1消費電流が大きいので、この方が無難と思います。
    LM5113のHBを使うのは、NoizeやVbootstrapno電圧低下などの
    リスクがあると思います。

       AMC1301のVINP,VINNの絶対最大定格は、ご理解のとおりです。
    (GND1-6V)min (VDD1+0.5V)max になります。
    VDD1-GND1は、Vbootstrap(~4.5~5V程度)の電圧なので、20Vになる
    ことはないです。
    DataSheetの図の20Vは、GateDriver ICの電源と思います。

       最後にSimulationの結果が、マイナスになるのは、
    不平衡出力の差分を取っているためです。VOUTPとVOUNはそれぞれ
    位相が反転しているため差分は+/-の出力になりますが、
    VOUTPまたはVOUTNのそれぞれを見れば、1.44Vdcを中心に変化している
    はずです。個々のVOUTはマイナスになることは、ないはずです。

       蛇足ですが、H-BridgeのICとしては、LMD18200があります。
    Applicationに合うかどうかわかりませんが、PowerMOS内蔵で、
    一つのPackge(11Pin TO220)で、3A、55VのH-bridgeが構成できます。
    www.tij.co.jp/.../lmd18200.pdf
    ご参考ください。

  • ご親切に回答ありがとうございます.まさか質問に全て丁寧に答えてくださるとは思っていませんでした.

    確認なのですが,出力をマイナスにしないためには,VOUTP, VOUTNどちらかを使えば良いということは分かりましたが,その場合ゲインGはおよそ4であるという理解でよろしいでしょうか?どうもデータシートにゲインは8.2と書いてあって,実際に4というのは初心者からすると違和感を感じてしまいます.よろしくお願いします.

  • こちらこそ、ありがとうございます。わかる範囲でご返事しています。

       ゲインに関しては、ご指摘のとおりです。
    AMC1301のGainは固定で、DataSheet 6.9電気的特性のゲインの項で
    スペックされています。
    Gain:                       8.2typ       @diff-Out/diff-In
    GainError:      +/-0.05%typ      +/-0.3%max 
    これらは、平衡出力の条件のため、VOUTP/VOUTNそれぞれのシングルエンド
    で使用した場合のゲインスペックは規定されていませんが、通常は、
    Gain:   8.2typ x 1/2 = 4.1typ   @SingleEnd-Out/diff-In
    と考えてよいと思います。

       ゲイン固定で平衡出力が、使いづらい場合は、
    後段に、OpAmpをひとつ入れて、平衡入力<->不平衡出力に変換できます。
    またその時に、R1/R2/R3/R4の比を選ぶことで、所望のゲインを得ること
    ができます。

  • 返信ありがとうございます.私の研究室では周りにこのような詳しい方がいないため,非常に助かりました.就職しても御社の製品を使っていこうと思います.よろしくお願いします.