JP2015125133A - 差動出力電流検出装置及び差動出力電流検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば次段の演算増幅回路等の入力範囲を過度に広げる必要がなく、動作点の変動を抑えて精度のよい負荷電流の検出を行う。【解決手段】駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）と負荷Ｒｌｏａｄの正入力（Ｖｏ＋）との間に第１の電流検出抵抗Ｒｓ１が挿入され、負荷Ｒｌｏａｄの負入力（Ｖｏ−）と駆動回路の負出力（Ｖｉ−）との間に第２の電流検出抵抗Ｒｓ２が挿入されるように、駆動回路と負荷Ｒｌｏａｄとを接続し、第１及び第２の検出電圧Ｖａ，Ｖｂを差動出力（Ｖａ−Ｖｂ）として次段の演算増幅器等に供給する。第１の分圧部（Ｒ１，Ｒ４）により、負荷Ｒｌｏａｄの負入力（Ｖｏ−）と駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧（Ｖａ）として出力し、第２の分圧部（Ｒ２，Ｒ３）により、負荷Ｒｌｏａｄの正入力（Ｖｏ＋）と駆動回路の負出力（Ｖｉ−）の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧（Ｖｂ）として出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷に流れる電流を測定する差動出力電流検出装置及び差動出力電流検出方法に関する。

負荷に流れる電流（負荷電流）の測定は、負荷に直列に接続されている抵抗の両端の電圧を測定することによって行われている。例えば特許文献１中には、デジタルアンプの出力部分において、負荷であるスピーカーに直列に接続されるローパスフィルタのインダクタの両端の電圧を測定することにより、負荷に流れる電流を検出する技術が開示されている。

特開２００６−９４１４８号公報

例えば図６に示すように負荷に直列に電流検出用の抵抗（Ｒｓ１，Ｒｓ２）を接続し、これらの両端の電圧によって負荷電流を測定する場合には、電流検出用の抵抗Ｒｓ１の両端の電圧（検出電圧）Ｖａ，Ｖｂを差動出力として次段の演算増幅回路等に入力し、検出電圧Ｖａ，Ｖｂの差（Ｖａ−Ｖｂ）を電圧出力等として出力する。負荷電流Ｉｌｏａｄは、検出電圧Ｖａ，Ｖｂの差（Ｖａ−Ｖｂ）と電流検出用の抵抗Ｒｓ１の比によって求めることができる。

このような測定方法において、いずれからの電流検出用の抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２のみの両端の電圧を測定した場合、検出電圧（Ｖａ，ＶｂもしくはＶｃ，Ｖｄ）の基準は、駆動電圧の振幅によって接地電圧ＧＮＤから電源電圧Ｖｄｄの間で変動してしまう。このため、次段（例えば演算増幅回路等）の入力範囲をこれらの変動の範囲以上としておく必要がある。また、検出電圧Ｖａ，Ｖｂの変動によって（次段の演算増幅回路等の）動作点が大きく変動すると、次段で誤差が生じることが考えられる。

例えば図７に示すようなパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号のようなパルス出力によって負荷を駆動している場合には、出力によって検出電圧の基準が接地電圧ＧＮＤから電源電圧Ｖｄｄの間で頻繁に変動するため、検出電圧の基準が変動しないように、出力の極性に応じて両端の電圧を検出する抵抗をＲｓ１とＲｓ２の間で切り替えようとすると、次段との間にスイッチ等が必要になってしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、精度のよい負荷電流の検出を行うことを解決課題の一つとする。

本発明に係る差動出力電流検出装置の一態様は、負荷に流れる電流を検出する差動出力電流検出装置であって、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）と前記負荷の正入力（Ｖｏ＋）との間に接続された第１の電流検出抵抗と、前記負荷の負入力（Ｖｏ−）と前記駆動回路の負出力（Ｖｉ−）との間に接続された第２の電流検出抵抗と、前記負荷の負入力（Ｖｏ−）と前記駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧として出力する第１の分圧部と、前記負荷の正入力（Ｖｏ＋）と前記駆動回路の負出力（Ｖｉ−）の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧として出力する第２の分圧部と、を備えている。この態様によれば、第１の検出電圧と第２の検出電圧の差は、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）と負出力（Ｖｉ−）の電圧の中点を基準とする差動出力となるため、次段（例えば演算増幅回路）の入力範囲を過度に広げる必要がない。また、第１の検出電圧と第２の検出電圧を差動入力として次段（例えば演算増幅回路）に供給することにより、動作点の変動を抑えて精度のよい負荷電流の検出を行うことができる。

さらに好ましくは、前記第１の分圧部は、直列に接続された第１の抵抗と第２の抵抗を備え、第１の抵抗と第２の抵抗の間の電圧を前記第１の検出電圧として出力し、前記第２の分圧部は、直列に接続された第３の抵抗と第４の抵抗を備え、第３の抵抗と第４の抵抗の間の電圧を前記第２の検出電圧として出力する、構成としてもよい。

さらに好ましくは、前記第１及び第２の電流検出抵抗は、前記負荷の抵抗より十分小さく、前記第１から第４の抵抗は、前記負荷の抵抗より十分大きい、構成としてもよい。

本発明に係る差動出力電流検出方法の一態様は、駆動回路の正出力と負荷の正入力との間に接続された第１の電流検出抵抗と、前記負荷の負入力と前記駆動回路の負出力との間に接続された第２の電流検出抵抗と、前記負荷の負入力と前記駆動回路の正出力の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧として出力する第１の分圧部と、前記負荷の正入力と前記駆動回路の負出力の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧として出力する第２の分圧部とを有する差動出力電流検出装置を介して前記負荷に電流を供給し、前記第１の検出電圧と前記第２の検出電圧の差に基づいて負荷に流れる電流を検出する。

本発明の一実施形態に係る差動出力電流検出装置の構成例を示すブロック図である。 差動出力電流検出装置の動作を示す概念図である。 差動出力電流検出装置の動作時の負荷駆動信号の一例を示す概念図である。 差動出力電流検出装置の動作時の波形の一例を示す概念図である。 差動出力電流検出装置の検出出力の一例を示す概念図である。 従来の電流検出装置の構成例を示すブロック図である。 従来の電流検出装置の動作時の負荷駆動信号の一例を示す概念図である。

［Ａ．構成］
本発明の一実施形態にかかる差動出力電流検出装置は、例えば図１に示すように、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）と負荷Ｒｌｏａｄの正入力（Ｖｏ＋）との間に接続された第１の電流検出抵抗Ｒｓ１と、負荷Ｒｌｏａｄの負入力（Ｖｏ−）と駆動回路の負出力（Ｖｉ−）との間に接続された第２の電流検出抵抗Ｒｓ２と、負荷Ｒｌｏａｄの負入力（Ｖｏ−）と駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧（Ｖａ）として出力する第１の分圧部（Ｒ１，Ｒ４）と、負荷Ｒｌｏａｄの正入力（Ｖｏ＋）と駆動回路の負出力（Ｖｉ−）の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧（Ｖｂ）として出力する第２の分圧部（Ｒ２，Ｒ３）とを備えている。なお、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１，第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値は、同じ値であり、負荷Ｒｌｏａｄに対して十分に小さい値となっている。具体的には、例えば負荷Ｒｌｏａｄがスピーカーであり、最大８Ωと仮定する。この場合、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１の値及び第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値を０．１Ω程度にして、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１と第２の電流検出抵抗Ｒｓ２による電力損失を低減させる。あるいは、電力損失を許容できる場合には、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１の値及び第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値を０．１Ωより大きくして、第１及び第２の検出電圧Ｖａ，Ｖｂの差（Ｖａ−Ｖｂ）をより大きな値にしてもよい。

第１の分圧部は、直列に接続された抵抗Ｒ１（第１の抵抗）と抵抗Ｒ４（第２の抵抗）とから構成されており、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）の電圧Ｖ１と負荷Ｒｌｏａｄの負入力（Ｖｏ−）の電圧Ｖ３の間の電圧を２分の１に分圧して電圧Ｖａとして出力する。第２の分圧部は、直列に接続された抵抗Ｒ２（第３の抵抗）と抵抗Ｒ３（第４の抵抗）とから構成されており、駆動回路の負出力（Ｖｉ−）の電圧Ｖ４と負荷Ｒｌｏａｄの正入力（Ｖｏ＋）の電圧Ｖ２の間の電圧を２分の１に分圧して電圧Ｖｂとして出力する。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は、いずれも同じ値であり、負荷Ｒｌｏａｄに対して十分に大きい値となっている。具体的には、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は、例えば、上述のように、負荷抵抗が最大８オームで、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１の値及び第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値が０．１Ωであり、要求される電流検出精度が１％のときには、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は、３．２ｋΩ（＝８Ω／０．００２５）程度にすればよい。

［Ｂ．動作］
このように構成された差動出力電流検出装置１により、負荷Ｒｌｏａｄに流れる電流を測定する際には、例えば図２に示すように、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）と負荷Ｒｌｏａｄの正入力（Ｖｏ＋）との間に第１の電流検出抵抗Ｒｓ１が挿入され、負荷Ｒｌｏａｄの負入力（Ｖｏ−）と駆動回路の負出力（Ｖｉ−）との間に第２の電流検出抵抗Ｒｓ２が挿入されるように、駆動回路と負荷Ｒｌｏａｄとを接続し、第１及び第２の検出電圧Ｖａ，Ｖｂを差動出力（Ｖａ−Ｖｂ）として、次段の演算増幅器，電圧検出器等に供給する。

駆動回路は、例えば差動電圧を出力する差動出力アナログ増幅器を用いることができる。このような駆動回路が出力する信号では、例えば図３に示すように、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）が、出力の大きさに応じて、リファレンス電圧Ｖｒｅｆ（電源電圧Ｖｄｄの２分の１の電圧）を中心に電源電圧Ｖｄｄと接地電圧ＧＮＤの間で変動し得る。また、駆動回路の負出力（Ｖｉ−）が、出力の大きさに応じて、正出力と逆極性でリファレンス電圧Ｖｒｅｆを中心に電源電圧Ｖｄｄと接地電圧ＧＮＤの間で変動し得るようになっている。従って、負荷Ｒｌｏａｄの両端の電圧は、例えば図４に示すように、駆動回路の正出力（Ｖｉ＋）と負出力（Ｖｉ−）の差となり、電源電圧Ｖｄｄと接地電圧ＧＮＤの間で変動し得る。

このように接続された状態において、本差動出力電流検出装置１による負荷Ｒｌｏａｄに流れる電流Ｉｌｏａｄの検出について検討する。
第１の検出電圧Ｖａは、上述の図２中の電圧Ｖ１と電圧Ｖ３の差を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ４で分圧した値に電圧Ｖ３を加えた値であり、次式で示され表される。

ここで、上述のように、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は同じ値であり、Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４）は１／２となる。また、電圧Ｖ３は、電圧Ｖ４に第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の両端の電圧Ｖｓ２を加えたものであり、上述のように、電圧Ｖ４はＶｒｅｆ−Ｖｏｕｔである。さらに、上述のように、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１と第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値は同じであり、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１と第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の両端の電圧Ｖｓ１とＶｓ２は同じ値Ｖｓとなる。従って、（１）式は、次式のように変形できる。

また、上述のように、電圧Ｖ１はＶｒｅｆ＋Ｖｏｕｔであるため、（２）式は、次式のように変形できる。

一方、第２の検出電圧Ｖｂは、上述の図２中の電圧Ｖ２と電圧Ｖ４の差を抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３で分圧した値に電圧Ｖ４を加えた値であり、次式で示され表される。

ここで、上述のように、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は同じ値であり、Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）は１／２となる。また、上述のように、電圧Ｖ４はＶｒｅｆ−Ｖｏｕｔである。従って、（４）式は、次式のように変形できる。

また、上述のように、電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１から第１の電流検出抵抗Ｒｓ１の両端の電圧Ｖｓ１を引いた値である。上述のように、電圧Ｖ１はＶｒｅｆ＋Ｖｏｕｔである。さらに、上述のように、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１と第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値は同じであり、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１と第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の両端の電圧Ｖｓ１とＶｓ２は同じ値Ｖｓとなる。このため、（５）式は、次式のように変形できる。

上述のように求めた第１及び第２の検出電圧Ｖａ，Ｖｂの差（Ｖａ−Ｖｂ）を求めると、次式のようになる。

ここで、電圧Ｖｓは、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１（あるいは第２の電流検出抵抗Ｒｓ２）の両端の電圧であり、Ｖｓ＝Ｒｓ１×Ｉｌｏａｄであるため、負荷Ｒｌｏａｄに流れる電流Ｉｌｏａｄは、次式によって求めることができる。

従って、この差動出力電流検出装置１では、第１及び第２の検出電圧Ｖａ，Ｖｂの差（Ｖａ−Ｖｂ）と第１の電流検出抵抗Ｒｓ１，第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値とから、負荷Ｒｌｏａｄに流れる電流Ｉｌｏａｄを検出することができる。このため、第１の検出電圧（Ｖａ）と第２の検出電圧（Ｖｂ）を差動入力として次段（例えば演算増幅回路や電圧測定器等）に供給することにより、精度のよい負荷電流の検出を行うことができる。

［Ｃ．効果］
本実施形態では、上述のように、差動出力する検出電圧ＶａとＶｂの範囲は、［数３］，［数６］より、Ｖｒｅｆ±Ｖｓ／２となり、Ｖｒｅｆ（＝Ｖｄｄ／２）を基準とした検出電圧によって負荷に流れる電流を測定することができる。このため、動作点の変動による電流検出用抵抗の切り替え等が必要でなく、切り替えに伴う誤差を生じることがないため、精度のよい負荷電流Ｉｌｏａｄの検出を行うことができる。また、次段に入力電圧のリファレンス電圧（基準電圧）としてＶｒｅｆを供給すれば、次段の入力範囲は、±Ｖｓ／２となる。ＶａとＶｂの基準電圧は［数３］，［数６］よりＶｒｅｆとなるため、次段がＶｒｅｆを基準電圧とした回路であれば直接入力することができる。これにより、次段の入力範囲を過度に広げる必要がない。入力範囲が広い方が、入力範囲が狭い場合に対して、出力の精度を向上させることが困難であるため、次段の入力範囲を過度に広げないことにより、精度の向上に寄与することができる。

また、本実施形態では、差動出力する検出電圧ＶａとＶｂの範囲は、例えば図５に示すように、Ｖｒｅｆ±Ｖｓ／２であり、動作点の変動は、±Ｖｓ／２となり、接地電圧ＧＮＤと電源電圧Ｖｄｄの間で変動する場合に比較して極めて小さくなり、動作点の変動による次段の誤差を低減させることができる。さらに、上述のように、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の値は、負荷Ｒｌｏａｄに対して十分に大きい値になっているので、電流Ｉｌｏａｄのほとんど全てが負荷Ｒｌｏａｄに流れる。このため、Ｖｏｕｔの絶対値が大きくなるほど、負荷Ｒｌｏａｄに流れる電流Ｉｌｏａｄが大きくなるので、Ｖｏｕｔの絶対値が大きくなるほどＶｓが大きくなる。しかし、Ｖｓが大きくなっても、第１の電流検出抵抗Ｒｓ１，第２の電流検出抵抗Ｒｓ２の値は負荷Ｒｌｏａｄに対して十分に小さい値になっているため、Ｖｏｕｔの絶対値のほとんど全てが負荷Ｒｌｏａｄに印加される。このため、Ｖｓは負荷Ｒｌｏａｄに印加される電圧に対して無視でき、精度の向上に寄与することができる。

また、本実施形態では、検出電圧Ｖａ，Ｖｂの基準がＶｒｅｆ（＝Ｖｄｄ／２）であるため、いずれかの電流検出用の抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２のみの両端の電圧を測定する場合のように、動作点の変動を抑えるための切り替えが必要なく、スイッチ等を設ける必要がない。

［Ｄ．変形例］
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に述べる各種の変形例が可能である。また、各変形例は、変形例同士を適宜組み合わせてもよく、更に、上述した各実施形態と適宜組み合わせてもよい。

（１）上述の説明では、駆動回路として差動出力アナログ増幅器を用いた場合について説明したが、駆動回路としていわゆるＤ級アンプ等のパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号を出力するインバータ回路、あるいは定電圧電源や交流電源等の他の電源を用いる場合にも本発明を適用することができる。

（２）また、上述の説明では、負荷の負入力と駆動回路の正出力の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧として出力する第１の分圧部と、負荷の正入力と駆動回路の負出力の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧として出力する第２の分圧部とを、各々２つの抵抗によって分圧する構成としたが、演算増幅器等の他の回路によって構成することもできる。

１…差動出力電流検出装置、Ｒｌｏａｄ…負荷、Ｒｓ１…第１の電流検出抵抗、Ｒｓ２…第２の電流検出抵抗、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…抵抗。

Claims (4)

1. 負荷に流れる電流を検出する差動出力電流検出装置であって、
   駆動回路の正出力と前記負荷の正入力との間に接続された第１の電流検出抵抗と、
   前記負荷の負入力と前記駆動回路の負出力との間に接続された第２の電流検出抵抗と、
   前記負荷の負入力と前記駆動回路の正出力の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧として出力する第１の分圧部と、
   前記負荷の正入力と前記駆動回路の負出力の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧として出力する第２の分圧部と、
   を備えた差動出力電流検出装置。
2. 前記第１の分圧部は、直列に接続された第１の抵抗と第２の抵抗を備え、第１の抵抗と第２の抵抗の間の電圧を前記第１の検出電圧として出力し、
   前記第２の分圧部は、直列に接続された第３の抵抗と第４の抵抗を備え、第３の抵抗と第４の抵抗の間の電圧を前記第２の検出電圧として出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の差動出力電流検出装置。
3. 前記第１及び第２の電流検出抵抗は、前記負荷の抵抗より十分小さく、
   前記第１から第４の抵抗は、前記負荷の抵抗より十分大きい、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の差動出力電流検出装置。
4. 駆動回路の正出力と負荷の正入力との間に接続された第１の電流検出抵抗と、前記負荷の負入力と前記駆動回路の負出力との間に接続された第２の電流検出抵抗と、前記負荷の負入力と前記駆動回路の正出力の間の電圧を２分の１に分圧して第１の検出電圧として出力する第１の分圧部と、前記負荷の正入力と前記駆動回路の負出力の間の電圧を２分の１に分圧して第２の検出電圧として出力する第２の分圧部とを有する差動出力電流検出装置を介して前記負荷に電流を供給し、
   前記第１の検出電圧と前記第２の検出電圧の差に基づいて前記負荷に流れる電流を検出する、
   ことを特徴とする差動出力電流検出方法。
   

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