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電流シャント抵抗

電流測定のためのシャント電圧降下、アンプ出力、電力消費、ADC分解能を計算します。

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公式

Vsh=I×Rsh,P=I2×RshV_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh
R_sh— シャント抵抗 (Ω)
I— 測定電流 (A)

仕組み

この計算機は、高精度な電流測定に必要な電流シャント抵抗のパラメーターとアンプの要件を決定します。これは、バッテリー管理システムの設計者、モーター制御エンジニア、およびパワーエレクトロニクスの開発者にとって不可欠です。電流シャントは、電流経路と直列に接続された低抵抗の高精度抵抗 (標準1～100mOhm) で、オームの法則で電圧降下Vsh = I Rshが発生します。主なトレードオフは、電力損失 (P = I^2 Rsh。シャントが過熱したり効率が低下したりしてはならない) と信号対雑音比 (Rshが大きい=電圧が高い=SN比は良くなるが損失は大きい) です。5 mOhm のシャントを 20A にすると、2 W の電力が消費され、100 mV が生成されます。専用の電流検出アンプ (INA240、INA219、MAX9634) は、このミリボルト信号を20〜200V/Vのゲインとデータシートあたり120dBを超えるCMRRで増幅します。ハイサイドセンシング (電源と負荷の間のシャント) は障害電流と接地障害を検出しますが、INA240あたり定格80V+のハイ・コモン・モード・アンプが必要です。ローサイド検出 (負荷とグランド間のシャント) はシンプルなアンプを使用しますが、負荷グラウンドはVsh分だけ変動します。

計算例

問題：48V/30Aの電動自転車モーターコントローラーの電流検出を設計します。要件:+/ -0.5% の精度、0.5% 未満の効率損失、3.3Vリファレンスを備えた12ビットADC。

解決策: 1。電力バジェット:48V*30A の 0.5% = 最大7.2W; ターゲット 2W-> Rsh = P/I^2 = 2/900 = 2.22 mOhm 2.標準の2ミリオームシャントを使用 (ビシェイ社製WSL2512、+/ -0.5%、エレメントあたり1W、2つを並列使用) 3.フルスケール電圧:Vsh = 30A * 2 ミリオーム= 60 mV 4.3.0V 出力に必要なゲイン:G = 3000/60 = 50 V/V 5.INA240A2 を選択します (ゲイン = 50 V/V、CMRR = 132 dB、帯域幅 = 400 kHz) 6.解像度:3.3V/4096/50 = 16.1 uV = 8.1 mA/ポンド 7.電力損失:30^2 * 0.002 = 1.8W (バジェット2W以内、0.125% の効率損失) 8.ケルビン接続が必要:4端子シャントによりPCBのトレース抵抗誤差がなくなります

結果:INA240A2を使用した2mオームのシャントは、分解能が8mA、精度は+/ -0.5% で、全電流時の効率損失はわずか 0.125% です。

実践的なヒント

  • ✓テキサス・インスツルメンツのSLVA458によると、ディスクリート計装アンプではなく、専用の電流検出アンプIC (INA240、INA219、MAX9634) を使用してください。これらには、EMIフィルタ、高精度ゲイン、およびスイッチング環境用の最適化された同相除去が含まれます
  • ✓バッテリ管理では、ローサイド検出（バッテリの負と負荷接地の間のシャント）によって高いコモンモード電圧は回避されますが、接地障害は個別に監視され、ハイサイド検出は負荷電流と障害電流の両方を検出します。
  • ✓アンプ入力（10Ω+100nFの差動）にRCフィルタを追加して、PWMモータードライバーからの高周波スイッチングノイズを抑制します。これにより、帯域幅が160kHzに制限され、1MHzを超えるスイッチング高調波は除去されます

よくある間違い

  • ✗グランド基準アンプによるハイサイドシャントの使用：ハイサイド検出には、同相電圧（INA240～80V、INA282～110V）の定格アンプが必要です。グランド基準オペアンプは、Vcmが電源レールを超えると飽和します。
  • ✗ケルビン接続は無視してください。標準の2端子シャントには、測定誤差を増大させるPCBトレース抵抗が含まれています。ビシェイ社のアプリケーションノートAN-28eによると、4端子 (ケルビン) シャントを使用し、シャントセンスパッドから電圧検出トレースを直接配線してください。
  • ✗小型のシャント電力定格:大電流ではI^2が優勢。10Aの10mOhmのシャントは1Wを消費し、定格がわずか0.25Wの場合は大幅にドリフトします。IPC-2221では2倍の電力ディレーティングを使用してください。

よくある質問

ローサイド検出により、シャントは負荷グランドとシステムグランドの間に配置されます。単純な単電源アンプは動作しますが（Vcmは0V近く）、負荷グラウンドはVsh（通常は50～100mV）だけ浮動し、グランドへのフォールト電流はシャントをバイパスします。ハイサイドセンシングは電源と負荷の間にシャントを配置し、真の共通グランドを実現し、フォールトを含むすべての電流を検出しますが、ハイコモンモードアンプが必要です。INA240は80Vのコモン・モードを処理し、INA282は110Vを処理します。ISO 26262 に従い、セーフティクリティカルなアプリケーションにはハイサイドが推奨されます。
電力損失をシステム電力の 1% 未満に制限しつつ、良好なSN比を実現するには、50～100mVのフルスケール電圧を目標とします。RSH = VSH_Target/Imax。10A で 100 mV の場合は、10 ミリオームを使用してください。次に、電力を確認します。P = I^2 * R = 100 * 0.01 = 1W。ビシェイ社およびBournsのセレクションガイドによると、TCR10Aで計算された電力の2倍のシャント、<50 ppm/C. Common values: 1-10 mOhm for > 1-10Aの場合は10〜100mオーム、1A未満の場合は100mOhm-1オームを選択してください。
非精密用途のみ。標準の 1% 金属膜抵抗器のTCRは100ppm/Cで、100℃を超えると 1% のドリフトが発生します。高精度シャント抵抗器 (ビシェイ社製WSL、Bourns CSM、Ohmite LVK) は TCR が 50 ppm/c 未満で、熱結合が良好で、4 端子ケルビン接続により正確な検出が可能です。+/ -0.5% の電流精度を得るには、IEC 62576 の要件を満たす公差が +/ -0.5% で TCR が 20 ppm/c 未満の高精度シャントを使用してください。

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