JP2007218664A - 電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、少ない部品点数、低コスト、小型で、かつ高精度の電流検出ができる電流検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、バッテリ陽極側の電位を基準とする第１の基準電源と、この第１の基準電源と前記負荷回路との間に接続された電流検出用抵抗と、この電流検出用抵抗の両端の電位を入力段とするオペアンプと、前記電流検出用抵抗に流れる電流値と電流の方向に基づいて、所定の増幅率で出力する増幅手段と、前記電流検出用抵抗の両端の電圧値を分圧する分圧手段と、前記オペアンプの非反転入力端子（＋）および反転入力端子（−）に接続される前記分圧手段と前記第１の基準電源の陽極側に接続される定電圧発生回路とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車電装品などに用いられる負荷装置に流れる電流を検出することによって負荷装置を制御するのに用いる電流検出装置に関する。

スイッチング電源等の出力側に設けられる電流検出装置の原理を以下に述べる。

電流検出装置は、スイッチング電源の出力ラインに接続された電流検出用抵抗の両端の電位差より電流値を算出するのが一般的である。

この電流検出装置は、例えば、特許文献１（特開２００１−１０８７１２号公報）に示される。

電流検出装置は、スイッチング電源等の出力の損失低減を図るために抵抗値の小さいものを用いている。図８のように、電流検出抵抗２の一端は、電流制限抵抗５を介してオペアンプ１１の非反転入力端子（＋）に接続されている。

また、電流検出抵抗２の他端は、電流制限抵抗４を介してオペアンプ１１の反転入力端子（−）に接続されている。オペアンプ１１の出力段から反転入力帰還抵抗１０を介して反転入力端子（−）に接続されている。

電流検出抵抗２の両端の電位は電流制限抵抗４と反転入力帰還抵抗１０によって増幅される。また、オペアンプ１１は駆動するために内部電源を要する。

しかし、オペアンプ１１を内部電源（＋）とＧＮＤ付近の電圧で駆動した場合、オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）にノイズが入力されたとき、誤動作する恐れがある。

図２のように電流検出用抵抗２の両端の検出電圧が小さい電流検出装置であっても、単一電源で駆動することが可能な電流検出装置を提供することを目的としている。

この回路の特徴として、分圧抵抗６、７とプルアップ抵抗１２、１３の働きにより、オペアンプ１１の反転入力端子（−）と非反転入力端子（＋）をＧＮＤの電位を基準として所定の高さの電位に底上げすることが可能になる。したがって、電源とＧＮＤの電位によってオペアンプ１１を駆動しても、ノイズによる誤動作が生じることがない。

さらに詳説すると、オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）及び反転入力端子（−）の電位は、電流検出抵抗２の検出電圧が小さい場合でも、分圧抵抗６、７やプルアップ抵抗１２、１３の分圧電圧となり、０Ｖ付近の動作ではなく、より高い電圧での動作が可能になる。

したがって、電流検出抵抗２の両端検出電圧が小さい場合でも、ノイズの影響を受けることなく、正確に電流を検出することが可能になる。

なお、分圧抵抗６、７及びプルアップ抵抗１２、１３の抵抗値として、全てに同一抵抗値の抵抗を用いれば、オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）及び反転入力端子（−）が分圧によって底上げされる電圧で同一になる。

したがって、オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）及び反転入力端子（−）の電位は、電流検出抵抗２で検出された電圧に基づく電圧となる。この場合には、電流制御回路へ出力される電流検出信号は、図８に示す場合と同様となる。

特開２００１−１０８７１２号公報

図２のように従来、抵抗値の小さい電流検出用抵抗２の両端の電位差より電流値を算出することが一般的である。

前述したように、電源とＧＮＤの電位によってオペアンプ１１を駆動しても、ノイズによる誤動作が生じることがないことを述べた。しかし、この電流検出装置には以下の問題点がある。

電流検出装置の検出抵抗２としては、電流値の損失を低減させるために、検出抵抗２の抵抗値は小さいものを使用している。また、電流検出装置において、より精度の高いものを必要とするため、各抵抗の電流制限抵抗４、５、分圧抵抗６、７、プルアップ抵抗１２、１３の微小なバラツキでもオペアンプ１１の出力段の値は変動する。

上記の課題に対処し、本発明は、少ない部品点数、低コスト、小型で、かつ高精度の電流検出ができる電流検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、バッテリ陽極側の電位を基準とする第１の基準電源と、この第１の基準電源と前記負荷回路との間に接続された電流検出用抵抗と、この電流検出用抵抗の両端の電位を入力段とするオペアンプと、前記電流検出用抵抗に流れる電流値と電流の方向に基づいて、所定の増幅率で出力する増幅手段と、前記電流検出用抵抗の両端の電圧値を分圧する分圧手段と、前記オペアンプの非反転入力端子（＋）および反転入力端子（−）に接続される前記分圧手段と前記第１の基準電源の陽極側に接続される定電圧発生回路とを有することを特徴とする。

定電圧発生回路を設けることで、電流制限抵抗、分圧抵抗のバラツキの影響を小さくすることができる。つまり、分圧抵抗素子のバラツキによるオペアンプの入力端子の電圧変動への影響を低減させることができる。

本発明によれば、少ない部品点数、低コスト、小型で、かつ高精度の電流検出ができる電流検出装置を提供することができる。

また、本発明の電流検出装置は、自動車用モータのみならず油圧制御用フェールセーフバルブやイグニッションコイル、バッテリ電流検出など、検出電流の精度が要求される負荷回路にも適用可能である。

以下、添付の図面に示す実施の形態について説明する。

図１において、本電流検出装置は、バッテリ陽極側電源電圧源１（バッテリ陽極側の電位を基準とする第１の基準電源）とＧＮＤの間に設けられた電流検出用抵抗２と負荷回路３と、電流検出用抵抗２の両端とオペアンプ１１の間に設けられた抵抗とで構成される。

オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）と電流検出用抵抗２の一端との間には、電流制限抵抗５が設けられ、オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）と電流制限抵抗５の間から分圧抵抗６、８を介してＧＮＤに接続されている。

オペアンプ１１の反転入力端子（−）と電流検出用抵抗２の他端との間には、電流制限抵抗４が設けられ、オペアンプ１１の非反転入力端子（−）と電流制限抵抗４の間から分圧抵抗７、８を介してＧＮＤに接続されている。

オペアンプ１１の反転入力端子（−）と出力端子との間には、帰還抵抗１０が設けられている。また、分圧抵抗６、７と分圧抵抗８との接続点とバッテリ陽極側電源電圧源１との間には定電圧発生回路を設けられている。

増幅手段は、オペアンプ１１と電流制限抵抗４、５と帰還抵抗１０により構成され、増幅率は帰還抵抗１０と電流制限抵抗４との比で決定される。

更に本発明の実施例について、図２に示す従来例と比べながら説明を加える。

図２において、バッテリ陽極側電源電圧源１が１２Ｖで、電流負荷３が０Ａで、電流検出用抵抗２が１ｍΩで、且つ各抵抗の電流制限抵抗４、５、分圧抵抗６、７、プルアップ抵抗１２、１３が０．１％のバラツキであるとき、オペアンプ１１の出力段でのバラツキは１２Ａとなり電流検出の精度に大きく影響する。また、自動車のバッテリ電圧は変動範囲が大きいため、これも精度を劣化させる要因となる。バッテリ電圧１が６Ｖ〜１６Ｖまで変動する場合、オペアンプ１１の入力変動は１０Ｖ×０．１％＝１０ｍＶ。つまり、１０Ａ分の検出値の変動を生ずる。

図１に示す本発明の実施例と、図２に示す従来例とを比べると、本発明はオペアンプ１１の非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）の各入力端子の分圧手段と第１の基準電源の陽極側に接続される定電圧発生回路１００を設けたところに特徴がある。

この定電圧発生回路１００を設けることで、電流制限抵抗、分圧抵抗のバラツキの影響を小さくすることができる。つまり、分圧抵抗素子のバラツキによるオペアンプの入力端子の電圧変動への影響を低減させることができる。これにより、少ない部品点数、低コスト、小型で、かつ高精度の電流検出ができる電流検出装置を提供することができる。

更に図１に沿って説明を加える。

負荷回路３に流れる電流を検出する電流検出装置は、バッテリ陽極側電源電圧源１と、バッテリ陽極側電源電圧源１と負荷回路３との間に接続された電流検出用抵抗２と、該電流検出用抵抗２の両端の電位を入力段とするオペアンプ１１と、電流検出用抵抗に流れる電流値と電流の方向に基づいて、所定の増幅率で出力する増幅手段と、該電流検出用抵抗２の両端の電圧値をそれぞれ分圧する手段を構成する電流制限抵抗４、５、分圧抵抗６、７とを有する。

上記分圧手段は、電流検出用抵抗２の両端と増幅手段の入力端子の間にそれぞれ設けられた電流制限抵抗４、５と、上記増幅手段の入力端子とバッテリ陽極側電源電圧源１の陰極側との間にそれぞれ設けられた分圧抵抗６、７、８と有する。

また、上記増幅率は電流制限抵抗４と反転入力帰還抵抗１０との比により決定される。オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）の上記分圧手段の陰極側には定電圧発生回路が接続されている。

図１の回路構成に基づいた動作説明をする。

この回路は、負荷回路３によってバッテリ陽極側電源電圧源１から流れる電流を電流検出用抵抗２の両端の電位差により電流を検出する回路である。電流検出抵抗２の両端のハイレベル電圧を電流制限抵抗５と分圧抵抗６により分圧された分圧値をオペアンプ１１の非反転入力端子（＋）に入力し、電流検出抵抗２の両端のローレベル電圧を電流制限抵抗４と分圧抵抗７により分圧された分圧値をオペアンプ１１の反転入力端子（−）に入力する。

このとき、電流検出抵抗２の両端の各電圧を分圧するとき、定電圧発生回路１００により分圧抵抗６，７と分圧抵抗８との間の電圧は指定した定電圧値となり、この定電圧値とバッテリ陽極側電源電圧源１との間で分圧される。

各入力端子の入力電圧の差分を電流制限抵抗４と反転入力帰還抵抗１０との比による増幅率させ、オペアンプ１１の出力とする。

ここで、従来技術の場合と同様に電流検出精度を算出する。図３に示す他の実施例は、定電圧発生回路に５Ｖのツェナーダイオード９を実装したとする。また、バッテリ陽極側電源電圧源１が１２Ｖで、負荷回路３が０Ａで、電流検出用抵抗２が１ｍΩで、且つ各抵抗の電流制限抵抗４、５と分圧抵抗６、７、８が０．１％のバラツキであるとする。

このとき、ツェナーダイオード９のアノード側の電位は５Ｖであるので、分圧段での基準電源電圧Ｖｚは５Ｖとなる。オペアンプ１１の入力端子での電位Ｖｏｕｔは下記式（１）より、素子のバラツキを考慮して計算すると、Ｖｏｕｔは７ｍＶとなる。これを電流に換算すると、７Ａとなる。したがって、各抵抗の電流制限抵抗４、５と分圧抵抗６、７、８のバラツキによる影響が従来技術と比較して５Ａ小さくできる。

Ｖｏｕｔ＝（Ｒ６×ＶＢ＋Ｒ５×ＶＺ）／（Ｒ５＋Ｒ６）・・・・・・・・・・（１）

一方、分圧抵抗８（Ｒ８）の定数を計算する。ツェナーダイオード９のアノード側の電位をＶＺ、バッテリ陽極側電源電圧源１をＶＢとしたとき式（２）のように表される。分圧抵抗６をＲ６、分圧抵抗７をＲ７とする。

（ＶＢ−ＶＺ）／ＶＢ＞Ｒ８／（Ｒ８＋Ｒ６／／Ｒ７）・・・・・・・・・・・（２）

ここで、バッテリ陽極側電源電圧源１のＶＢが６Ｖ、ツェナーダイオードのアノード側の電位のＶＺ＝５Ｖであるとすると、

Ｒ８／（Ｒ８＋Ｒ６／／Ｒ７）＜１／６・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

となり、オペアンプの出力段が同相入力範囲を超えないＲ６またはＲ７の定数を２ｋΩとしたとき、これを計算するとＲ８は４００Ω以下であることがわかる。

また、図６のようにバッテリ電源の陽極側と負荷回路の間にノーマルコイル１８や過電流保護回路９０が付加されても効果は変わらない。

このように、負荷回路３に流れる電流を検出する電流検出装置において、各抵抗の電流制限抵抗４、５と分圧抵抗６、７、８のバラツキによる検出精度の低下を避けるため、定電圧発生回路を設けることで解決できる。また、定電圧発生回路１００としてツェナーダイオード９を設けることでより安価で上記の精度を実現できる。

また、図３の実施例は、オペアンプ１１の非反転入力端子（＋）に第２の基準電圧発生回路１１０を設けることで、出力電圧のレンジの中点に設定できる。それによって、検出範囲を最大に活用できる。

更に図４は、図３に示す分圧抵抗８に替えて定電流回路１６を設けた電流検出装置の回路構成を有する。

更にまた図５は、図４に示す定電流回路１６に替えてトランジスタ１４、抵抗１５、第
３の基準電圧電源１７を設けた電流検出装置の回路構成を有する。

図７は図１に第３の基準電圧電源１７を設けた電流検出装置の回路構成を有する。

本発明に実施例に係わる電流検出装置の回路構成図である。 従来の電流検出装置の原理を示す回路構成図である。 本発明の他の実施例に係わる電流検出装置の回路構成図である。 本発明の他の実施例に係わる電流検出装置の回路構成図である。 本発明の他の実施例に係わる電流検出装置の回路構成図である。 本発明の他の実施例に係わる電流検出装置の回路構成図である。 本発明の他の実施例に係わる電流検出装置の回路構成図である。 従来の電流検出装置に関する回路構成図である。

符号の説明

１…バッテリ陽極側電源電圧源、２…電流検出用抵抗、３…負荷回路、４…電流制限抵抗、５…電流制限抵抗、６…分圧抵抗、７…分圧抵抗、８…分圧抵抗、９…ツェナーダイオード、１０…反転入力帰還抵抗、１１…オペアンプ、１２…プルアップ抵抗、１３…プルアップ抵抗、１４…トランジスタ、１５…抵抗、１６…定電流回路、１７…第３の基準電圧電源、１８…ノーマルコイル、１００…定電圧発生回路、１１０…第２の基準電圧発生回路。

Claims (3)

1. 負荷回路に流れる電流を検出する電流検出装置において、
   バッテリ陽極側の電位を基準とする第１の基準電源と、この第１の基準電源と前記負荷回路との間に接続された電流検出用抵抗と、この電流検出用抵抗の両端の電位を入力段とするオペアンプと、前記電流検出用抵抗に流れる電流値と電流の方向に基づいて、所定の増幅率で出力する増幅手段と、前記電流検出用抵抗の両端の電圧値を分圧する分圧手段と、前記オペアンプの非反転入力端子（＋）および反転入力端子（−）に接続される前記分圧手段と前記第１の基準電源の陽極側に接続される定電圧発生回路と、を有することを特徴とする電流検出装置。
2. 請求項１記載の電流検出装置において、
   前記増幅手段は、前記バッテリ陽極側の電圧を基準電圧とすることを特徴とする電流検出装置。
3. 請求項１記載の電流検出装置において、
   前記分圧手段は、前記電流検出用抵抗の両端と前記増幅手段の入力端子の間にそれぞれ設けられた分圧抵抗と、前記増幅手段の入力端子と前記第１の基準電源の陰極側との間にそれぞれ設けられた分圧抵抗と、を有することを特徴とする電流検出装置。

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