AD8212: 高電圧の電流シャント・モニタ

(1)

特長

ゲインの調整 広い同相電圧範囲： 7∼65V（typ） 7∼500V超（外付けパス・トランジスタを使用する場合） 電流出力 5V直列レギュレータ内蔵 8ピンMSOPパッケージ 動作温度範囲: −40∼＋125℃

アプリケーション

電流シャント計測 モータ制御 DC/DCコンバータ 電源 バッテリ監視 リモート・センシング

機能ブロック図

図1 AD8212 V+

IOUT COM BIAS ALPHA

VSENSE 1 0 0-2 4 9 5 0 OUTPUT CURRENT COMPENSATION BIAS CIRCUIT 8 6 3 2 5 1

AD8212

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

概要

AD8212は、広い同相電圧範囲を持つ電流シャント・モニタです。最大65Vの高い同相電圧条件下で（外付けPNPを使用する場合は＞500V）小さい差動入力電圧を正確に増幅します。 AD8212は、モータやソレノイドなどの負荷を制御するアプリケーションでシャント抵抗の電流を監視するのに最適です。デバイスの電流出力は、入力差動電圧に比例します。外付け抵抗を選択して、所望のゲインを設定できます。AD8212の同相電圧範囲は7∼65V（typ）です。 AD8212のもう１つの特長は、ブレークダウン電圧が高い外付けPNPトランジスタを使用して高電圧動作が可能になることです。この構成では、AD8212の同相電圧範囲が外付けPNPトランジスタのブレークダウンに等しいため、数百ボルトの動作を簡単に実現できます（図23を参照）。 AD8212は、高電圧動作モード用の出力ベース電流補償回路（特許取得済み）を持っています。そのため、外付けトランジスタで電流損失が生じることがなく、同相電圧や温度に関係なく優れた出力精度を維持します。

(2)

特長 . . . 1 アプリケーション . . . 1 機能ブロック図 . . . 1 概要 . . . 1 改訂履歴 . . . 2 仕様 . . . 3 絶対最大定格 . . . 4 ESDに関する注意 . . . 4 ピン配置とピン機能の説明 . . . 5 代表的な性能特性 . . . 6 動作原理 . . . 9 通常動作（電源範囲（V＋）：7∼65V） . . . 9 外付けPNPトランジスタを使用した高電圧動作 . . . 10 出力電流補償回路. . . 10 アプリケーション情報 . . . 11 一般的なハイサイドの電流検出. . . 11 モータ制御. . . 11 500V電流モニタ . . . 11 双方向電流の検出. . . 12 外形寸法 . . . 13 オーダー・ガイド. . . 13

改訂履歴

11/07――Rev. 0 to Rev. A

Increased Operating Temperature Range . . . Universal

(3)

仕様

特に指定のない限り、VS＝15V、TOPR＝−40∼＋125℃、TA＝25℃。

表1

Parameter Conditions/Comments Min Typ Max Unit

SUPPLY VOLTAGE (V+) No external pass transistor 7 65 V

With external PNP transistor1 ₇ _>500 _V

SUPPLY CURRENT2 _(I

SUPPLY= IOUT+ IBIAS)

V+ = 7 V to 65 V 220 720 µA

High voltage operation, using external PNP 200 1500 µA

VOLTAGE OFFSET

Offset Voltage (RTI) TA ±2 mV

Over Temperature (RTI) TOPR ±3 mV

Offset Drift TOPR ±10 µV/℃

INPUT

Input Impedance

Differential 2 kΩ

Common Mode (VCM) V+ = 7 V to 65 V 5 MΩ

Voltage Range

Differential Maximum voltage between V+ and VSENSE 500 mV

VSENSE(Pin 8) Current3 V+ = 7 V to 65 V, TOPR 100 200 nA

OUTPUT

Transconductance 1000 µA/V

Current Range (IOUT) 7 V ≤ V+ ≤ 65 V, 0 mV to 500 mV differential input 500 µA

Gain Error for TOPR 7 V ≤ V+ ≤ 65 V, with respect to 500 µA full scale ±1 %

Impedance 20 MΩ

Voltage Range 0 V+ – 5 V

REGULATOR

Nominal Value 7 V ≤ V+ ≤ 65 V 4.80 5 5.20 V

PSRR 7 V ≤ V+ ≤ 65 V 80 dB

Bias Current (IBIAS) TOPR, 7 V ≤ V+ ≤ 65 V 185 200 µA

TOPR, high voltage operation 200 1000 µA

DYNAMIC RESPONSE

Small Signal – 3 dB Bandwidth Gain = 10 1000 kHz

Gain = 20 500 kHz

Gain = 50 100 kHz

Settling Time Within 0.1% of the true output, gain = 20 2 µs

ALPHA PIN INPUT CURRENT 25 µA

NOISE

0.1 Hz to 10 Hz, RTI 1.1 µV p-p

Spectral Density, 1 kHz, RTI 40 nV/

TEMPERATURE RANGE

For Specified Performance (TOPR) – 40 +125 ℃

1 _{この範囲は、トランジスタのブレークダウン電圧V}

CEによって決まります。 2 _{通常電圧動作時（V＋＝7∼65V）のAD8212の電源電流は、出力電流（I}

OUT）にバイアス電流（IBIAS）を加えたものです。出力電流は0∼500µAで、入力差動電圧によって変化し

ます。この動作モードのIBIASは代表値が185µA、最大値が200µAです。高電圧動作モードについては、「外付けPNPトランジスタを使用した高電圧動作」を参照してください。 3 _V

SENSE（8番ピン）に入力されるアンプの電流は、高電圧動作モード時に増加します。詳細については、「外付けPNPトランジスタを使用した高電圧動作」を参照してください。

(4)

絶対最大定格

特に指定のない限り、TOPR＝−40∼＋125℃。

表2

Parameter Rating

Supply Voltage 65 V

Continuous Input Voltage 68 V

Reverse Supply Voltage 0.3 V

Operating Temperature Range – 40℃to +125℃

Storage Temperature Range – 40℃to +150℃

Output Short-Circuit Duration Indefinite

上記の絶対最大定格を超えるストレスを加えると、デバイスに恒久的な損傷を与えることがあります。この規定はストレス定格のみを指定するものであり、この仕様の動作セクションに記載する規定値以上でのデバイス動作を定めたものではありません。デバイスを長時間絶対最大定格状態に置くと、デバイスの信頼性に影響を与えることがあります。

ESD

に関する注意

ESD（静電放電）の影響を受けやすいデバイスです。電荷を帯びたデバイスや回路ボードは、検出されないまま放電することがあります。本製品は当社独自の特許技術であるESD保護回路を内蔵してはいますが、デバイスで高エネルギーの静電放電が発生した場合、損傷を生じる可能性があります。性能劣化や機能低下を防止するため、ESDに対して適切な予防措置をとることが推奨されます。

(5)

ピン配置とピン機能の説明

図2. ピン配置図3. メタライゼーション図 1 2 3 8 6 5 5₂ 0-2 4 9 5 0 2 0 0-2 4 9 5 0 V+ 1 COM 2 BIAS 3 NC 4 VSENSE 8 NC 7 ALPHA 6 IOUT 5 NC = NO CONNECT AD8212 TOP VIEW (Not to Scale) 表3. ピン機能の説明ピン番号記号 X座標 Y座標説明 1 V+ – 393 +219 電源電圧（反転アンプ入力） 2 COM – 392 +67 レギュレータのローサイド 3 BIAS – 392 – 145 バイアス回路のローサイド 4 NC – – 接続なし 5 IOUT +386 – 82 出力電流 6 ALPHA +386 +23 電流補償回路の入力 7 NC +386 +118 接続なし 8 VSENSE +386 +210 非反転アンプ入力

(6)

代表的な性能特性

195 175 180 185 190 170 165 160 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ) A µ( T N E R R U C T N E C S EI U Q SUPPLY VOLTAGE (V) 5 0 0-2 4 9 5 0 T = +125°C T = +25°C T = –40°C 1200 1000 400 600 800 200 0 –40 –20 0 20 40 60 80 100 120 T U P NIV S O (µ V ) TEMPERATURE (°C) 8 0 0-2 4 9 5 0 図4. 電源（V＋ピン）対電源電流（IOUT＝0mA）図7. 入力オフセット電圧の温度特性 5.2 5.0 5.1 4.9 4.8 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ) V( E G A T L O V R O T A L U G E R SUPPLY VOLTAGE (V) 6 0 0-2 4 9 5 0 T = –40°C T = +25°C T = +125°C 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.1 0 7 12 17 22 27 32 37 42 47 52 57 62 VOLTAGE SUPPLY (V) 9 0 0-2 4 9 5 0 +125°C +25°C –40°C ) V m( I T R E G A T L O V T E S F F O 図5. 電源（V＋ピン）対レギュレータ電圧図8. 電源（V＋ピン）対入力オフセット電圧 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1k 10k 100k 1M 10M G = +50 G = +20 G = +10 0 1 2 0-2 4 9 5 FREQUENCY (Hz) ) B d( NI A G 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 ) C° / A n( T FI R D T N E R R U C T U P T U O

DIFFERENTIAL INPUT VOLTAGE (mV)

0 1 0-2 4 9 5 0 図6. ゲインの周波数特性図9. 差動入力電圧対出力電流ドリフト

(7)

0.01 0.1 1 10 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 500 32 0-2 4 9 5 0

DIFFERENTIAL INPUT VOLTAGE (mV)

) %( R O R R E T U P T U O G = +20 G = +10 G = +50 図10. 差動入力電圧対入力オフセットに起因する全出力誤差 41 0-24 95 0 5μs/DIV 0V VOUT 500mV/DIV V+ = 15V ROUT = 50kΩ VIN 20mV/DIV 図13. ステップ応答（ゲイン＝50） 2 1 0-2 4 9 5 0 5µs/DIV 0V VOUT 50mV/DIV V+ = 15V ROUT = 5kΩ V_IN 20mV/DIV 5 1 0-2 4 9 5 0 5µs/DIV VOUT 200mV/DIV V+ = 15V ROUT = 5kΩ VIN 100mV/DIV 図11. ステップ応答（ゲイン＝5）図14. ステップ応答（ゲイン＝5） 3 1 0-2 4 9 5 0 5µs/DIV 0V V_OUT 200mV/DIV V+ = 15V ROUT = 20kΩ VIN 20mV/DIV 6 1 0-2 4 9 5 0 5µs/DIV 0V VOUT 1V/DIV V+ = 15V ROUT = 20kΩ VIN 100mV/DIV 図12. ステップ応答（ゲイン＝20）図15. ステップ応答（ゲイン＝20）

(8)

7 1 0-2 4 9 5 0 5µs/DIV 0V VOUT 2V/DIV V+ = 15V ROUT = 50kΩ V_IN 100mV/DIV 図16. ステップ応答（ゲイン＝50） 0 4 2 0-2 4 9 5

BIAS CURRENT (µA)

) V( E G A T L O V R O T A L U G E R 4.8 4.9 5.0 5.1 5.2 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 T = –40°C T = +125°C T = +25°C 図19. バイアス電流対レギュレータ電圧高電圧モード（IOUT＝0mA） 8 1 0-2 4 9 5 0 2µs/DIV 0V VOUT 2V/DIV V+ = 15V ROUT = 20kΩ VIN 100mV/DIV 5.2 5.0 5.1 4.9 4.8 –40 –25 –10 5 20 35 50 65 80 95 110 125 ) V( E G A T L O V R O T A L U G E R TEMPERATURE (°C) 7 0 0-2 4 9 5 0 V+ = 300V V+ = 100V V+ = 200V 図17. 立下がりステップ応答図20. レギュレータ電圧の温度特性（高電圧動作） 9 1 0-2 4 9 5 0 2µs/DIV 0V V_OUT 2V/DIV V+ = 15V ROUT = 20kΩ VIN 100mV/DIV 0 2 0-2 4 9 5 0 RBIAS(kΩ) ) V( E G N A R G NI T A R E P O + V 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 50 70 100 150 200 250 300 350 400 450 500 V+ MAXIMUM RANGE V+ MINIMUM RANGE 図18. 立上がりステップ応答図21. バイアス抵抗値対電源範囲（V＋）（高電圧動作）

(9)

動作原理

通常動作（電源範囲（

V

＋）：

7 ∼

65V

）

AD8212は、通常、シャント抵抗を流れる負荷電流によって発生された小さい差動入力電圧を測定するために使用します。シャント抵抗（RSHUNT）の両端にオペアンプ（A1）を接続し、反転入力はバッテリ／電源側、非反転入力はシステムの負荷側に接続します。内部直列レギュレータ（図22ではツェナー・ダイオード）を介してアンプA1を駆動します。このレギュレータは、AD8212のバッテリ／電源端子と内部回路の最小コモン・ポイントとなるCOM（2番ピン）との間で5Vの定電圧を維持します。外付けシャント抵抗を流れる負荷電流によって、AD8212の入力端子の電圧が発生します。アンプA1は、トランジスタQ1によって抵抗R1を流れる必要な電流を調整し、アンプの反転入力と非反転入力の電位を等しくします。トランジスタQ1（IOUT）のエミッタを流れる電流は入力電圧（VSENSE）に比例するため、シャント抵抗（RSHUNT）を流れる負荷電流（ILOAD）にも比例します。外付け抵抗を使って、出力電流（IOUT）を電圧に変換します。抵抗の値は、アプリケーションに必要な入出力ゲインの式によって決まります。 AD8212の伝達関数は次のとおりです。 IOUT＝(gm×VSENSE)

VSENSE＝ILOAD×RSHUNT

VOUT＝IOUT×ROUT

VOUT＝(VSENSE×ROUT)/1000

ここで、 gm＝1000µA/V 通常の電圧動作モードでは、図22に示すようにバイアス回路は GNDに接続します。このモードでは、IBIASは7∼65V（V＋）の範囲で185µA（typ）となります。図22. 代表的な接続（7∼65Vの電源範囲（V＋ピン））ここで述べるようにAD8212を使用する場合は、システムのバッテリ／電源電圧の範囲を7∼65Vとします。内部レギュレータ（図22のツェナー・ダイオード）を駆動するときは、最小7Vの電源電圧が必要です。この電圧調整によって、電源電圧（V＋）に関係なく5Vの定電圧が維持されます。この動作モードの最大電圧は、AD8212の製造プロセスによるブレークダウン電圧制限により65Vとなります。通常、1%抵抗を使用して出力電流を電圧に変換できます。表4 にROUTの推奨値を示します。表4. ROUTの推奨値 Gain (V/V) ROUT(kΩ) 1 1 10 10 20 20 50 49.9 100 100 IOUT ILOAD ROUT AD8212 BATTERY R_SHUNT 3 0 0-2 4 9 5 0 OUTPUT CURRENT COMPENSATION D A O L R1 R2 A1 Q1 VOUT BIAS CIRCUIT 8 6 3 2 5 1

(10)

外付け

PNP

トランジスタを使用した高電圧動作

AD8212は、65Vを上回る同相電圧環境下で電流を簡単に測定できます。そのためには、図23に示すようにAD8212の出力に外付けのPNPトランジスタを接続します。このトランジスタのブレークダウン電圧VCEが、AD8212動作時の同相電圧範囲になります。ブレークダウン電圧が300Vを超えるPNPトランジスタは安価で入手しやすく、小型パッケージの製品が販売されています。図23. 外付けPNPを使用した高電圧動作 AD8212は5V直列レギュレータを内蔵しています。このレギュレータは、全端子の中で最も低い電位のCOM（2番ピン）が常に電源電圧（V＋）より5V低い電圧となるようにします。たとえば、バッテリ電圧（V＋）が100Vであれば、COM（2番ピン）の電圧は次式のようになります。 (V+)−5V＝95V また、トランジスタQ2のベース・エミッタ・ジャンクションと内部トランジスタのVbeにより、トランジスタQ1のコレクタ電圧は、次のようにほぼ96.2Vとなります。 95V＋2(Vbe(Q2))＝95V＋1.2V＝96.2V この電圧は外付けトランジスタQ2に現れます。トランジスタ Q1の電圧は次式で表されます。 100V−96.2V＝3.8V このように、トランジスタQ2が95.6Vの電圧に耐えるのに対し、内部トランジスタQ1に入力されるのはブレークダウン電圧を大幅に下回る電圧のみになります。この動作モードでは、AD8212回路の電源電流（IBIAS）は電源範囲と選択したRBIAS抵抗に基づいて増加します。たとえば、次の場合： V＋＝500VおよびRBIAS＝500kΩ IBIAS＝(V＋ −5V)/RBIAS したがって、 IBIAS＝(500−5)/500kΩ＝990µA

高電圧動作では、IBIASを200µA∼1mA以内に維持することを推

奨します。このようにすることで、バイアス回路をオンにして、デバイスを予想どおりに動作させることができます。同時に、バイアス回路／レギュレータを流れる電流が1mAに制限されます。高電圧構成でAD8212を使用する場合のIBIASとV＋については、図19と図21を参照してください。図23のようにAD8212を動作させるときは、トランジスタQ2に FETまたはバイポーラPNPトランジスタを使用できます。バイポーラPNPのほうが価格は安くなりますが、PNPのベースで電流が消費されるぶん出力抵抗（ROUT）に流れる電流（IOUT）が減少します。その結果、出力電圧値に誤差が生じます。 AD8212には、外付けPNPトランジスタのベースで消費される出力電流を補償する特許取得済み回路が備わっています。これにより、アンプの正しいトランスコンダクタンスが維持され、 FETの代わりに安価なバイポーラPNPを選択しても同等の精度が得られます。

出力電流補償回路

外付けPNP（Q2）のベースは、AD8212のALPHA（6番ピン）に接続します。この経路を流れる電流は電流補償回路内でミラーリングされ、抵抗R1と同じ値の抵抗R2に出力されます。抵抗R2間の電流によって発生された電圧は、アンプA1の非反転入力を一定量だけ変化させます。これに対して、アンプA1はトランジスタQ1のベースを駆動して抵抗R1に同じような電圧変化を与え、IOUTを大きくします。出力補償回路で発生された電流はトランジスタQ2のベース電流と等しく、抵抗R1と抵抗R2の変化で電流が等しくなるため、出力電流に加わる電流増分はトランジスタQ2のベース電流と等しくなります。このように、内蔵の出力電流補正回路によって IOUTを補正することで、トランジスタQ2で消費したベース電流によって誤差が生じないようにします。 AD8212のこの機能によってIOUTの精度が大幅に向上するため、安価なバイポーラPNP（低β）を使って高電圧環境下（通常、数百ボルト）で電流を監視できます。 ROUT Q2 AD8212 BATTERY R_SHUNT 4 0 0-2 4 9 5 0 OUTPUT CURRENT COMPENSATION BIAS CIRCUIT D A O L R1 R2 A1 Q1 VOUT RBIAS 8 6 3 2 5 1

(11)

アプリケーション情報

一般的なハイサイドの電流検出

AD8212の出力は、高インピーダンス・ノードの駆動に使用します。したがって、コンバータとの接続では、ROUTの出力電圧をバッファしてAD8212のゲインが影響を受けないようにすることを推奨します。図24. 通常の電圧範囲の動作ゲイン抵抗を選択するときは、コンバータの入力電圧範囲を超えないように慎重に計算してください。AD8212の出力電圧は最大(V＋)−5Vです。ただし、真の最大出力電圧は、差動入力電圧と最大500µ A（500mVの最大入力差動電圧に基づく）の ROUTの出力電流によって変動します。

モータ制御

AD8212は、モータ制御アプリケーションのハイサイド電流検出向けの実用的なソリューションです。図25に示すように、バッテリを基準とするシャント抵抗を使用し、電流が片方向に流れる場合は、電源ピンを追加せずに電流を監視できます。図25. モータ制御用のハイサイド電流検出

500V

電流モニタ

「外付けPNPトランジスタを使用した高電圧動作」で述べたように、AD8212の同相電圧範囲は外付けPNPトランジスタを使用することで拡張できます。電流出力を備えたさまざまなアンプで、この動作モードが可能です。ただし、一般にはFETデバイスと共に外付けのツェナー・レギュレータを追加し、同相電圧に対する耐性を持たせ、出力電流精度を維持します。 AD8212は、ツェナー・レギュレータとして動作するレギュレータを内蔵しています。この出力電流補償により、どのようなPNPトランジスタを使っても優れた出力電流精度を維持できます。使用する部品数が減少すると、それだけ信頼性も高くなります。一番重要なことは、出力電流精度が高いことです。これによって、安価なPNPトランジスタを選んでも高い同相電圧に耐えることができます。図26. 外付けPNPを使用した高電圧動作 7 2 0-2 4 9 5 0 V+ 1 COM 2 BIAS 3 NC 4 V_SENSE 8 NC 7 ALPHA 6 IOUT 5 AD8212 I_LOAD 500V RSHUNT D A O L R_OUT 500kΩ VOUT NOTES 1. TRANSISTOR VCE BREAKDOWN VOLTAGE MUST BE 500V. 2. NC = NO CONNECT. 8 2 0-2 4 9 5 0 R_OUT MOTOR V+ 1 COM 2 BIAS 3 NC 4 VSENSE 8 NC 7 ALPHA 6 I_OUT 5 AD8212 IMOTOR V_OUT BATTERY NOTES 1. NC = NO CONNECT. AD8661 6 2 0-2 4 9 5 0 V+ 1 COM 2 BIAS 3 NC 4 VSENSE 8 NC 7 ALPHA 6 IOUT 5 AD8212 I_LOAD IOUT BATTERY RSHUNT D A O L ADC R_OUT NOTES 1. NC = NO CONNECT.

(12)

双方向電流の検出

AD8212は片方向電流検出デバイスです。したがって、充電電流と負荷電流の両方を監視するパワー・マネジメント・アプリケーションの場合は2つのデバイスを使用して、図27のように接続できます。この場合、IL O A Dがシャント抵抗を流れると、 VOUT1が増加します。また、ICHARGEが入力シャント抵抗を流れると、VOUT2が増加します。図27. 双方向の電流検出 VOUT1 ILOAD R_OUT1

IOUT COM BIAS ALPHA IOUT

VSENSE VSENSE V+ V+ COM BIAS ALPHA AD8212 RSHUNT OUTPUT CURRENT COMPENSATION D A O L ICHARGE VOUT2 ROUT2 AD8212 OUTPUT CURRENT COMPENSATION 0 1 1 0-2 4 9 5 E G R A H C Y R E T T A B BIAS CIRCUIT BIAS CIRCUIT 8 8 6 3 2 5 6 3 2 5 1 1

(13)

外形寸法

図28. 8ピン・ミニ・スモール・アウトライン・パッケージ［MSOP］

（RM-8）

寸法単位：mm

オーダー・ガイド

Model Temperature Range Package Description Package Option Branding

AD8212YRMZ1 _–40_℃_{to +125}_℃ _{8-Lead MSOP} _RM-8 _Y04

AD8212YRMZ-RL1 _–40_℃_{to +125}_℃ _{8-Lead MSOP, 13" Tape and Reel} _RM-8 _Y04

AD8212YRMZ-R71 _–40_℃_{to +125}_℃ _{8-Lead MSOP, 7" Tape and Reel} _RM-8 _Y04

1 _{Z＝RoHS準拠製品}

COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-187-AA 0.80 0.60 0.40 8° 0° 4 8 1 5 PIN 1 0.65 BSC SEATING PLANE 0.38 0.22 1.10 MAX 3.20 3.00 2.80 COPLANARITY 0.10 0.23 0.08 3.20 3.00 2.80 5.15 4.90 4.65 0.15 0.00 0.95 0.85 0.75 D05942-0-11/07(A)-J