日本語参考資料 最新英語回路ノートはこちら 回路ノート CN-0240 使用したリファレンス・デバイス テスト済み回路設計集“Circuits from the Lab™ ”は共 通の設計課題を対象とし、迅速で容易なシステム 統合のために製作されました。さらに詳しい情報 又は支援は http://www.analog.com/jp/CN0240 をご覧 ください。 AD629 ディファレンス・アンプ、高コモ ン・モード電圧 AD8622 高精度、低ノイズ、CMOS、デュア ル、低バイアス電流、レール to レ ール出力オペアンプ AD8475 減衰アンプ、完全差動、高精度、ゲ イン選択可能 ADuM5402 アイソレータ、クワッドチャンネ ル、DC/DC コンバータ内蔵 ADR435 5V、低ノイズ、高精度、XFET®電 圧リファレンス AD7170 12 ビット、低消費電力 Σ-Δ A/D コン バータ 270V の同相除去を行う双方向絶縁型ハイサイド電流検出 評価および設計サポート環境 回路の機能とその利点 回路評価ボード 図 1 に示す回路は、最大±270V の DC 電圧源から双方向に流 れる電流を 1%未満の直線性誤差でモニタします。外部回路の シャント抵抗を通じて負荷電流が流れます。シャント抵抗は 最大負荷電流のときにシャント電圧が約 100mV になるように 選択されています。 CN-0240 評価用ボード（EVAL-CN0240-SDPZ） システム・デモンストレーション・プラットフォーム （EVAL-SDP-CB1Z） 設計と統合ファイル 回路図、レイアウト・ファイル、部品表 15V 10kΩ RSHUNT + + VSHUNT AD629 REF− REF+ − − 10kΩ 15V 1kΩ VSOURCE − 1kΩ 1/2 AD8622 + 0V TO 10V – 0V TO −1V −15V ADR435 1/2 AD8622 + VSHUNT = 0V TO 100mV LOAD 15V 5V_REF −15V 10kΩ NOTE: SIGNAL VOLTAGES SHOWN FOR POSITIVE SOURCE 5V 5V1 2.5V_CM 5V VOCM 2.5V TO 4.5V + +IN 0.4× AD8475 –IN 0.4× – 2.5V TO 0.5V VISO 10kΩ VDD1 ADuM5402 REFIN+ VDD SCLK AIN+ VOA AD7170 PDSTR VOB VIB DOUT AIN− REFIN− GND VIC VOC GNDISO VIA GND1 図 1. 高同相電圧の双方向絶縁型電流モニタ（全接続の一部およびデカップリングは省略されています） アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に関して、あるいは利用に よって生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利 の使用を明示的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標 は、各社の所有に属します。※日本語資料は REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。 Rev. 0 ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本 社／〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル 電話 03（5402）8200 大阪営業所／〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪トラストタワー 電話 06（6350）6868 10154-001 0V TO 100mV CN-0240 回路ノート AD629 アンプは小さな差動入力電圧の高精度な測定とバッフ ァ（G = 1）を行い、最大 270V という大きな同相電圧を除去 します。 除去する能力は図 3 に示すように電源電圧によって決まるこ とです。十分な電圧の両電源を実装しないと、同相除去比は 低下します。 400 デュアル・アンプの AD8622 を使って AD629 の出力を 100 倍 に増幅します。AD8475 減衰アンプは、AD7170 シグマ・デル タ ADC のアナログ入力電圧範囲を満たすように、信号の減衰 （G = 0.4）とシングルエンドから差動への変換、および信号 のレベル・シフトを行います。 ADuM5402 クワッド・チャンネル・アイソレータによって電 気的な絶縁が行われます。これは後段の回路を高い同相電圧 から保護するためだけでなく、絶縁するためでもあります。 出力データの絶縁に加えて、ADuM5402 デジタル・アイソレ ータは絶縁された+5.0V を回路に供給することもできます。 AD7170 からの測定結果は、シンプルな 2 線 SPI 互換シリア ル・インターフェースからデジタル・コードとして出力され ます。 280 TA = +85°C 240 TA = –40°C 200 160 120 80 40 これらの部品の組合せにより、少ない部品点数、低コスト、 低消費電力で、正と負の高電圧電源レールの高精度な電流検 出ソリューションを実現します。 0 0 2 4 6 10 8 12 14 16 POWER SUPPLY VOLTAGE (±V) 18 20 図 3. 電源電圧 対 AD629 の同相電圧範囲 回路説明 この回路は、最大負荷電流 IMAX でフルスケール・シャント電 圧が 100mV になるように設計されています。したがって、シ ャント抵抗の値は RSHUNT = (100 mV)/(IMAX)になります。 図 2 に示す AD629 は、±500V までのトランジェントから保護 し、最大±270V の連続同相信号を許容する内部薄膜抵抗を使 って設計されたディファレンス・アンプです。REF(+) と REF(−) を接地した場合、+IN 端子の信号は 1/20 に減衰します。 次にこの信号は 20 のノイズ・ゲインによって増幅され、出力 に元の振幅が再生されます。 –IN 2 +IN 3 –VS 4 21.1kΩ 380kΩ 380kΩ 8 NC 380kΩ 6 OUTPUT 20kΩ AD629 NC = NO CONNECT 次に、AD629 は値の揃った内部薄膜抵抗を使ったユニティ・ ゲイン・モードのみで動作させる必要があります。外付け抵 抗でゲインを変更すると、不整合誤差により同相除去比は低 下します。 AD8622 は、主に対象となる信号の増幅に使用される低消費 電力で高精度の CMOS デュアル・レール to レール出力オペア ンプです。 ゲインが–10 の 2 つの反転ゲイン段をカスケード接続するこ とにより、AD629 の 100mV のフルスケール出力が 100 倍に増 幅されて 10V のフルスケール信号になります。これらは電流 の方向に応じて正と負のいずれの値にもなり得ます。 AD8622 は両電源で動作するので、双方向の入力電流測定で 必要なように、入力信号も出力信号もグラウンドの上下に振 幅することができます。 7 +VS デジタル・ワードへの変換の前のシグナル・チェーンの最終 段で、AD8622 の出力電圧は ADC のアナログ入力電圧範囲に 合うように調整されます。 5 REF(+) 10154-002 REF(–) 1 図 4 に示す AD8475（減衰アンプ）では 2 つの減衰係数（0.4 と 0.8）を選択できます。さらに、信号は差動に変換され、出 力の同相電圧は VOCM ピンの電圧によって決まります。5V 単電源では、アナログ入力電圧範囲は±12.5V です（シングル エンド入力の場合）。 図 2. AD629 高同相電圧ディファレンス・アンプ CMRR は、AD629A では最小 77dB（500Hz）、AD629B では 最小 86dB（500Hz）です。 所定の同相除去比を維持するため、満たすべきいくつかの重 要な条件があります。まず、デバイスがこれらの同相信号を Rev. 0 TA = +25°C 320 10154-003 COMMON-MODE VOLTAGE (±V) 360 －2/5 － CN-0240 高い同相電圧から後段のデジタル回路を保護するために推奨 します。 1kΩ 出力されたデジタル・コードは、SDP ハードウェア・ボード を介して LabVIEW ソフトウェアを使用して PC で処理します。 1.25kΩ 1.25kΩ NC = NO CONNECT 10154-004 +OUT 5 +VS 3 –IN 0.4x 2 VOCM 4 1kΩ 1.25kΩ –IN 0.8x 1 LabVIEW で記録した ADC の実際の出力コードと完全なシス テムに基づいて計算した理想コードとの比較を図 5 に示しま す。この図は、全入力電圧範囲（−100mV～+100mV）にわた って、回路がエンド・ポイントで 0.5%未満の直線性誤差を実 現していることを示しています。 また必要に応じて、ソフトウェア・キャリブレーションを使 用してオフセット誤差とゲイン誤差を除去することができま す。 AD8475 図 4. AD8475 減衰アンプ 4000 0 3500 –0.5 –1.0 3000 ACTUAL CODE 図 1 に示されているように、出力同相電圧は ADR435 の 5V のリファレンス出力で駆動される抵抗分割器によって 2.5V に 設定されます。 –1.5 CODE 2500 システムの主なノイズ源は AD629 の 0.1Hz～10Hz の帯域幅で の出力ノイズ 15µV p-p です。100mV のフルスケール信号では、 これは次のノイズフリー・コード分解能に相当します。 ノイズフリー・コード分解能 = IDEAL CODE 2000 –2.0 1500 –2.5 1000 500 100mV = log 2 (6666) = 12.7 bits log 2 15µV ERROR = 100 × (ACTUAL CODE − IDEAL CODE) ÷ 4096 CODE ERROR (%) 1.25kΩ –3.0 –3.5 –4.0 99.909 90.242 80.195 69.942 60.283 50.030 39.983 29.729 20.087 10.049 –0.535 –10.229 –19.867 –30.106 –40.352 –50.198 –60.249 –69.976 –80.178 –90.595 –100.430 0 AD8622 の入力ノイズはわずか 0.2µV p-p で、AD629 と比べて 無視できる値です。AD8475 の出力ノイズは 2.5µV p-p で、こ れもフルスケール信号レベルが 4V p-p の観点では無視できる 値です。 SHUNT VOLTAGE (mV) 10154-005 NC 7 –OUT –VS 8 ータは必須ではありませんが、フォルト状態が生じた場合に 6 +IN 0.4x 9 10 +IN 0.8x 回路ノート 図 5. シャント電圧 対 実コード、理想コード、および %誤差のプロット PCB のレイアウトに関する検討事項 AD7170 の電源電圧は ADuM5402 クワッド・アイソレータの 絶縁された電源出力（+5.0 VISO）から供給されることに注意 してください。 高精度が必要な回路では、ボード上の電源とグラウンド・リ ターンのレイアウトを慎重に検討することが重要です。PCB はデジタル部分とアナログ部分をできるだけ隔離します。こ の PCB は、面積の大きなグラウンド・プレーン層とパワー・ プレーン・ポリゴンを積層し 4 層構成にしました。レイアウ トとグラウンディングの詳しい説明については MT-031 チュ ートリアル、デカップリング技術の情報については MT-101 チュートリアルを参照してください。 AD7170 のリファレンス電圧は ADR435 高精度 XFET®リファ レンスから供給されます。ADR435 の初期精度は±0.12%（A グレード）、標準温度係数は 2ppm/℃です。ADR435 は動作範 囲が広く（7.0V～18.0V）、電源に+15.0V レールを使用して います。 AD7170 の VDD と REFIN（+）の両方を 5.0V 電源で動作させ ることは可能ですが、別々のリファレンスを使用することに よって高い精度が得られます。 適切にノイズを抑え、リップルを下げるため、AD7170 と ADuM5402 への電源は 10μF と 0.1μF のコンデンサでデカップ リングする必要があります。これらのコンデンサはできるだ けデバイスの近くに配置し、0.1μF コンデンサには低 ESR 値 のものを使用する必要があります。全ての高周波デカップリ ングにはセラミック・コンデンサを推奨します。 AD7170 ADC の入力電圧はオフセット・バイナリ・コードに 変換されて出力されます。ADuM5402 は DOUT データ出力、 SCLK 入力、および/PDRST 入力を絶縁します。このアイソレ ADuM5402 の 1 次側と 2 次側の間のアイソレーション・ギャ ップを検討する際には注意が必要です。EVAL-CN0240-SDPZ ボードでは、トップ層の全てのポリゴンや部品を後方へ下げ、 ADuM5402 のピンに揃えることにより、この距離を最大化し ています。 電源ラインはトレース幅をできるだけ大きくして低インピー ダンス経路を与え、電源ラインのグリッチの影響を減らしま Rev. 0 －3/5 － CN-0240 回路ノート • 両電源：±15V（10mA） す。クロックとその他の高速スイッチング・デジタル 信号は、デジタル・グラウンドを使ってボード上の他 の部分からシールドする必要があります。 • 最大負荷電流時の最大電圧が 100mV のシャント抵抗 • ソース電圧と電子負荷 この回路ノートに関する設計サポート・パッケージ（回路図 とボード・レイアウトを含む）は、www.analog.com/CN0240DesignSupport で入手できます。 評価開始にあたって CN0218 評価用ソフトウェア・ディスクを PC の CD ドライブ にセットして評価用ソフトウェアをロードします。マイコン ピュータを使って評価用ソフトウェアのディスクが置かれた ドライブを探し、Readme ファイルを開きます。Readme ファ イルに含まれているインストール手順および評価用ソフトウ ェアの使用方法に関する指示に従います。 バリエーション回路 正電源と負電源のハイサイド電流検出に利用可能ないくつか のソリューションがあります。電流検出アンプ、ディファレ ンス・アンプ、またはこの組み合わせを使用した IC ソリュー ションが利用可能です。回路ノート CN0100、CN0188、 CN0218 に記載された回路を参照してください。 機能ブロック図 回路ブロック図についてはこの回路ノートの図 1 を、回路図 については PDF ファイル EVAL-CN0240-SDPZ-SCH をご覧く ださい。このファイルは、CN0240 設計支援パッケージに含ま れています。 「High-Side Current Sensing: Difference Amplifier vs. Current Sense Amplifier,” Analog Dialogue, January 2008」には電流検出 アンプとディファレンス・アンプの使い方が記載されていま す。この記事は www.analog.com/HighSide_CurrentSensing で入 手できます。 セットアップ 以下のアナログ・デバイセズの製品への URL のリンクは電流 検出の問題の解決に役立ちます。 EVAL-CN0240-SDPZ 回路ボードの 120 ピン・コネクタを EVAL-SDP-CB1Z 評価（SDP）ボードの「CON A」と記され たコネクタに接続します。120 ピン・コネクタの両端にある 穴を利用し、ナイロン製の固定用部品を使って 2 枚の基板を しっかりと固定します。 電流検出アンプ：www.analog.com/jp/CurrentSenseAmps ディファレンス・アンプ：www.analog.com//jp/DifferenceAmps 計装アンプ：www.analog.com//jp/InstrumentationAmps 回路の評価とテスト 図 1 に示されているように、負荷を接地した J4 入力端子の両 端にシャント抵抗（RSHUNT）を接続します。電源スイッチを オフにして、ボード上の「+6V」と記されたピンと「GND」 と記されたピンに、+6V 電源を接続します。+6V の AC アダ プタがある場合は、ボード上の AC アダプタ用ジャックに接 続して、+6V 電源の代わりに使用することができます。SDP ボードに付属している USB ケーブルを PC の USB ポートに接 続します。 注意：この時点では、USB ケーブルは SDP ボードのミニ USB コネクタにまだ接続しないでください。 警告! 高電圧に注意。この回路には致死的な電圧が現れる可 能性があります。高電圧回路を扱う資格を持ち、熟練した専 門家でない限り、この回路やボード・アセンブリの操作、評 価、テストをしてはなりません。回路構成と高電圧回路で作 業するために要求される全ての予防措置を熟知してから、電 源を投入する必要があります。 この回路は、EVAL-CN0240-SDPZ 回路ボードと EVAL-SDPCB1Z システム・デモンストレーション・プラットフォーム （SDP）評価ボードを使用します。この 2 つのボードは 120 ピンのコネクタを備えており、評価システムのセットアップ と回路の性能評価を簡単に行うことができます。The EVALCN0240-SDPZ ボードは、この回路ノートで説明したような評 価ができる回路を備えています。SDP 評価ボードは CN0240 評価用ソフトウェアとともに使用し、EVAL-CN0240-SDPZ 回 路ボードから ADC データを取り込みます。 適正な電圧レベルと動作を保証するように、システム・グラ ウンドと絶縁された PCB グラウンドを接続することが重要で す。テスト・ポイント 31 と 32 から、この接続を適切に行う のに必要な GND_ISO にアクセスすることができます。 最後に、コネクタ J4 に高電圧を印加する前に、±15V 電源 （J5）が正しく接続されてオン状態になっていることを確か めます。この電源が作動していない場合、高電圧によって U2、 AD629、および PCB 上のその他いくつかの部品が損傷する可 能性があります。 必要な装置 • USB ポート付き PC および Windows® XP、Windows Vista® （32 ビット）または Windows® 7（32 ビット） テスト • EVAL-CN0240-SDPZ 回路評価ボード EVAL-CN0240-SDPZ 回路ボードに接続された+6V 電源（また は AC アダプタ）をオンにします。EVAL-CN0240-SDPZ ボー ドの U12 3 端子スクリュー・コネクタに±15V 電源を接続しま す。評価用ソフトウェアを起動し、PC からの USB ケーブル を SDP ボードのミニ USB コネクタに接続します。 • EVAL-SDP-CB1Z SDP 評価ボード • CN0240 評価用ソフトウェア • 電源：+6V（1A）、または+6V AC アダプタ Rev. 0 －4/5 － CN-0240 回路ノート USB による通信が確立されると、SDP ボードを使って EVALCN0240-SDPZ ボードとの間のシリアル・データの送受信およ びキャプチャを行うことができます。データは電子負荷の変 化によるさまざまな負荷電流の値として記録することができ ます。 Analog Dialogue 40：Digital Isolation Offers Compact, Low-Cost Solutions to Challenging Design Problems MT-022 Tutorial：ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics, Analog Devices. MT-023 Tutorial：ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications, Analog Devices. データ・キャプチャ用評価ソフトウェアの使用方法について は、CN0240 評価用ソフトウェアの Readme ファイルに記載さ れています。 MT-031 Tutorial：Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND," Analog Devices. SDP ボードについては、SDP User Guide を参照してください。 さらに詳しい資料 MT-101 Tutorial：Decoupling Techniques, Analog Devices. Analog Dialogue 39：iCoupler® Digital Isolators Protect RS-232, RS-485, and CAN Buses in Industrial, Instrumentation, and Computer Applications CN0240 Design Support Package： www.analog.com/CN0240-DesignSupport データシートと評価ボード Analog Dialogue 42-01：High-Side Current Sensing: Difference Amplifier vs.Current-Sense Amplifier, CN-0240 評価用ボード（EVAL-CN0240-SDPZ） Application Note AN-0971：isoPower デバイスでの EMI 放射制 御についての推奨事項 システム・デモンストレーション・プラットフォーム （EVAL-SDP-CB1Z） Chen, Baoxing, John Wynne, and Ronn Kliger. High Speed Digital Isolators Using Microscale On-Chip Transformers, Analog Devices, 2003. AD629 データシート AD8622 データシート Chen, Baoxing. iCoupler® Products with isoPower™ Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers, Analog Devices, 2006 AD8475 データシート Chen, Baoxing. “Microtransformer Isolation Benefits Digital Control.” Power Electronics Technology. October 2008. AD7170 評価ボード Application Note AN-825：iCoupler®アイソレーション製品で の電源の考慮事項 ADuM5402 データシート AD7170 データシート ADR435 データシート ADuM5402 評価ボード 改訂履歴 2/12—Revision 0: 初版 「Circuits from the Lab／実用回路集」はアナログ・デバイセズ社製品専用に作られており、アナログ・デバイセズ社またはそのライセンスの供与者の知的所有物です。お客さまは 製品設計で「Circuits from the Lab／実用回路集 」を使用することはできますが、その回路例を利用もしくは適用したことにより、特許権またはその他の知的所有権のもとでの暗示 的許可、またはその他の方法でのライセンスを許諾するものではありません。アナログ・デバイセズ社の提供する情報は正確でかつ信頼できるものであることを期しています。し かし、「Circuits from the Lab／実用回路集 」は現状のまま、かつ商品性、非侵害性、特定目的との適合性の暗示的保証を含むがこれに限定されないいかなる種類の明示的、暗示 的、法的な保証なしで供給されるものであり、アナログ・デバイセズ社はその利用に関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許権もしくはその他の権利の侵害に関して一 切の責任を負いません。アナログ・デバイセズ社はいつでも予告なく「Circuits from the Lab／実用回路集 」を変更する権利を留保しますが、それを行う義務はありません。 商標お よび登録商標は各社の所有に属します。 ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Rev. 0 商標および登録商標は各社の所有に属します。 －5/5 －