JP2017090077A - 電流検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】温度によるコイルの抵抗変化を補正することができ且つノイズの影響を受けにくい電流検出回路を提供する。【解決手段】温度検出回路１において、増幅部２は、第１の入力路５Ａに介在する第１の感温抵抗素子４１と、第２の入力路５Ｂに介在する第２の感温抵抗素子４２とを備え、コイル９０での電圧降下に応じた増幅値を出力する。更に、増幅部２は、温度変化に応じてコイル９０の抵抗値が増大するほど増幅率を抑えるように第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２の抵抗値が変化する構成となっている。【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出回路に関するものである。

チョークコイルの抵抗成分を利用してチョークコイルに流れる電流を検出する技術が従来技術として存在する。しかしチョークコイルの抵抗成分は温度によって変動するので同じ電流でも温度によって検出値が変わり温度に対する補正が必要になっている。特許文献１には、この技術を利用した電流検出回路が開示され、チョークコイルに流れる電流を、チョークコイルの抵抗成分による電圧として差動増幅器で検出すると共に、差動増幅器の出力信号を感温抵抗素子によって補正する構成となっている。

特許第４７６８７０４号公報

ところで、特許文献１の電流検出回路のように、温度によるチョークコイルの抵抗変化を感温抵抗素子によって補正する場合、チョークコイルと感温抵抗素子をできるだけ近似した温度状態にする必要があり、そのためには、チョークコイルと感温抵抗素子をできるだけ近づける必要がある。従って、特許文献１の電流検出回路のように差動増幅器の出力側に感温抵抗素子を配置してしまうと、差動増幅器の出力側をノイズ源となるチョークコイルに近づけることになり、制御部に入力される検出値がノイズ源の影響を受けやすくなる。また、この種の電流検出回路では、温度によるチョークコイルの抵抗変化も含めて増幅器で増幅が行われるため、増幅器は、想定される最大温度時に最大出力が得られるように調整される。このため、増幅器は、温度が低い場合に最大出力まで利用できないことになる。そして、特許文献１の電流検出回路では、温度補正が増幅後に行われるため増幅器の出力を圧縮する形になる。このように、制御部で増幅器の出力を読み取る場合には最大出力よりも低い範囲で読み取ることが前提となり、更に特許文献１の電流検出回路では、補正回路によって圧縮された電圧範囲で読み取ることになるため電圧の読み取り精度が低くなってしまう。つまり、分解能が悪くなってしまうという問題がある。

本発明は上述した事情に基づいてなされたものであり、温度によるコイルの抵抗変化を補正することができ且つノイズの影響を受けにくく読み取りの精度を高め得る電流検出回路を提供することを目的とするものである。

本発明の電流検出回路は、
電流検出対象となるコイルの一端側に導通する第１の入力路と、
前記コイルの他端側に導通する第２の入力路と、
前記第１の入力路に介在する第１の感温抵抗素子と、前記第２の入力路に介在する第２の感温抵抗素子とを備え、前記コイルに電流が流れることで生じる前記コイルでの電圧降下に応じた増幅値を出力する構成をなし、且つ、温度変化に応じて前記コイルの抵抗値が増大するほど増幅率を抑えるように前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子の抵抗値が変化する増幅部と、
を含む。

本発明の電流検出回路は、コイルに電流が流れることで生じるコイルでの電圧降下に応じた増幅値を増幅部によって出力することができる。しかも、この増幅部は、温度変化に応じてコイルの抵抗値が増大するほど増幅率を抑えるように第１の感温抵抗素子及び第２の感温抵抗素子の抵抗値が変化する構成であるため、コイルの抵抗値の変化に起因する出力値の変動を抑えるように補正することができ、検出精度を効果的に高めることができる。しかも、第１の感温抵抗素子及び第２の感温抵抗素子がいずれも増幅部の入力側に配置されているため、増幅部の出力側をコイルに近接させずに済む。よって、増幅部の出力側をコイルに近づけることに起因するノイズの影響を排除することができる。更に、増幅部からの出力値（増幅値）を大きく変動させるような補正を強いることなく読み取ることができるため、分解能を高めることができる。

実施例１の電流検出回路を概略的に例示する回路図である。 図１の構成において温度と電流検出値と関係をシミュレーションしたときの結果を示すグラフである。 図２のシミュレーションに関連する各データを示す表である。

発明の望ましい形態を以下に例示する。
本発明において、前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子は、いずれも正温度係数抵抗素子であることが望ましい。正温度係数抵抗素子を用いることで、温度変化に応じたコイルの内部抵抗の変化を抑えるように増幅することができる。

本発明において、前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子はいずれも、前記コイルの近傍に配置されることが望ましい。このようにすれば、両感温抵抗素子とコイルの温度状態をより近づけることができ、温度に応じたコイルの抵抗変化により合わせた形で補正することができる。

本発明において、前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子は、同一の特性の素子であることが望ましい。このような構成であれば、温度補正をより高精度に行うことができる。

前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子のそれぞれにおける温度と抵抗値との関係は、前記コイルにおける温度と抵抗値との関係に近い関係であることが望ましい。このような関係であれば、補正の精度をより高めることができる。

＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１について説明する。
図１で示す電流検出回路１は、例えば、車載用ＤＣＤＣコンバータ等の車載用電子装置に設けられたコイル９０を電流検出対象とし、このコイル９０を流れる電流を検出する回路として構成されている。コイル９０は、導電路１００に設けられたチョークコイルとして構成され、例えば銅線などによって構成されている。

図１で示すように、電流検出回路１は、コイル９０を流れる電流値に対応する検出値（電圧値）を出力する増幅部２と、この増幅部２から出力される検出値（電圧値）を読み取る制御部３とを備える。そして、増幅部２は、第１の入力路５Ａと、第２の入力路５Ｂと、第１の感温抵抗素子４１と、第２の感温抵抗素子４２と、オペアンプ３１と、抵抗部１１，１２と、位相補償部（抵抗部１３及びコンデンサ２１）とを備える。

第１の入力路５Ａは、電流検出対象となるコイル９０の一端側に導通する導電路であり、コイル９０の一端とオペアンプ３１の正側の入力端子とを導通している。第２の入力路５Ｂは、コイル９０の他端側に導通する導電路であり、コイル９０の他端とオペアンプ３１の負側の入力端子とを導通している。

第１の入力路５Ａの途中には、第１の感温抵抗素子４１が介在し、第２の入力路５Ｂの途中には、第２の感温抵抗素子４２が介在する。第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２はいずれも温度抵抗特性が正特性の感温抵抗素子である正温度係数抵抗素子として構成され、温度が上昇するほど抵抗値が増大する構成となっている。具体的には、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２として、温度変化に対して抵抗値が直線的（リニア）に変化するリニア正温度係数抵抗器を好適に用いることができる。

第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２のそれぞれにおける温度と抵抗値との関係は、コイル９０における温度と抵抗値との関係に近い関係である。第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２はいずれも、温度が上昇するほど抵抗値が増大する構成であり、コイル９０も、温度が上昇するほど抵抗値が増大する構成となっている。

増幅部２は、差動増幅器を構成するものであり、第１の入力路５Ａに入力される第１入力電圧と第２の入力路５Ｂに入力される第２入力電圧との電圧差に応じた値を出力する構成をなす。第１の感温抵抗素子４１の他端部とオペアンプ３１の正側端子には、抵抗部１１の一端が接続され、抵抗部１１の他端は接地されている。オペアンプ３１の出力端子とオペアンプ３１の負側端子との間には、帰還抵抗としての抵抗部１２が設けられている。更に、抵抗部１３とコンデンサ２１を直列に接続した位相補償部が抵抗部１２と並列に設けられている。

このように構成される増幅部２では、以下の数１のような関係となる。

数１において、Ｖ_Ｏは、オペアンプ３１の出力端子からの出力電圧であり、制御部３によって検出される検出値（電圧値）である。Ｖ_Ｂは、コイル９０の他端部Ｐ２での電圧である。ΔＶは、コイル９０の両端の電圧（一端部Ｐ１と他端部Ｐ２の電位差）である。Ｒ１は、抵抗部１１の抵抗値であり、Ｒ２は、抵抗部１２の抵抗値であり、ＴＨ１は、第１の感温抵抗素子４１の抵抗値であり、ＴＨ２は、第２の感温抵抗素子４２の抵抗値である。

図１の回路では、Ｒ１＝Ｒ２、ＴＨ１＝ＴＨ２となっているため、数１は、以下の数２のように表すことができる。

数２のように、増幅部２は、コイル９０に電流が流れることで生じるコイル９０での電圧降下ΔＶを反映した増幅値Ｖ_Ｏを出力する構成をなし、且つ、温度変化に応じてコイル９０の抵抗値が増大するほど増幅率を抑えるように第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２の抵抗値が変化する構成をなす。つまり、温度が高くなるほどコイル９０の抵抗値が増大し、コイルでの電圧降下ΔＶも増大することになるが、温度が高くなるほど第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２の抵抗値ＴＨ１も増大するため、増幅率Ｒ１／ＴＨ１は減少することになる。従って、温度上昇によるコイル９０の抵抗変化を打ち消すように動作させることができ、温度補正された値を出力することができる。なお、抵抗部１１，１２は、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２と比較して抵抗値の温度依存性が大幅に低くなっている。

図２は、図１に示す構成における温度と電流検出値とのシミュレーション結果を示し、横軸は−５０℃〜１５０℃の範囲の温度、縦軸は２５℃における電流検出値を１００（％）に正規化した電流検出値を示している。図２のグラフでは、温度の補正無しの場合のシミュレーション結果を、「補正前」として破線で示し、温度の補正ありの場合（即ち、図１の構成）のシミュレーション結果を、「補正後」として実線の太線で示している。

温度補正を行わない場合、−５０℃〜１５０℃の温度範囲において、電流検出値は、６７．８（％）〜１５３．８（％）の変化があったが、図１のような構成によって温度補正を行うと、電流検出値は、９８．９（％）〜１００．８（％）の範囲内となる。よって、図１の構成のように第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２によって補正することが有効である。

図３は、図２のシミュレーション結果に関するデータを示し、−５０℃〜１５０℃の温度における各温度での、コイル９０の抵抗成分ＤＣＲと、補正前の構成での正規化した電流検出値と、図１の回路における第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２の抵抗値と、図１の回路での増幅率（Ｒ１／ＴＨ１）と、２５℃を１００（％）としたときの増幅率の変化率と、補正後の構成（図１の構成）での正規化した電流検出値とについてそれぞれ示す。

図３のように、温度−５０℃〜１５０℃の範囲において、コイル９０の抵抗成分ＤＣＲは、０．６８〜１．５４（ｍΩ）の変化を示し、補正前の構成での電流検出値は、２５℃のときを１００（％）として、６７．８（％）〜１５３．８（％）の変化があったが、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２を用いた図１の構成（補正後）では、電流検出値は、２５℃のときを１００（％）として、９８．９（％）〜１００．８（％）の範囲となった。また、図３の表では、変動の抑制に寄与する第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２の抵抗値の変化、及び増幅率の変化等も明示されており、このような表でも、図１の構成の有効性が明らかとなっている。

以上のように、本構成の電流検出回路１は、コイル９０に電流が流れることで生じるコイル９０での電圧降下に応じた増幅値を増幅部２によって出力することができる。この増幅部２は、温度変化に応じてコイル９０の抵抗値が増大するほど増幅率を抑えるように第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２の抵抗値が変化する構成であるため、コイル９０の抵抗値の変化に起因する出力値の変動を抑えるように補正することができ、検出精度を効果的に高めることができる。しかも、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２がいずれも増幅部２の入力側に配置されているため、増幅部２の出力側をコイル９０に近接させずに済む。よって、増幅部２の出力側をコイル９０に近づけることに起因するノイズの影響を排除することができる。更に、増幅部２からの出力値（増幅値）を大きく変動させるような補正を強いることなく読み取ることができるため、分解能を高めることができる。

また、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２は、いずれもリニア正温度係数抵抗素子として構成されている。このようにリニア正温度係数抵抗素子を用いることで、サーミスタで補正困難な温度範囲に対応することが可能となる。例えば、ＰＴＣサーミスタなども候補となり得るが、ＰＴＣサーミスタは一般的に低温から25℃以下の温度では抵抗値の変化が下降し25℃から高温の温度では抵抗値が安定的に上昇する。温度補正を行うには変化が安定していなければならず、25℃から高温の抵抗値が安定して変化する領域では温度補正できるが、低温から25℃の抵抗値の変化が安定しない領域では温度補正が困難になるという問題がある。これに対し、本構成のように第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２としてリニア正温度係数抵抗素子を用いれば、図２のように低温域での温度補正も良好に行うことができる。

また、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２はいずれも、コイル９０の近傍に配置されている。このようにすれば、両感温抵抗素子とコイル９０の温度状態をより近づけることができ、温度に応じたコイル９０の抵抗変化により合わせた形で補正することができる。しかも、このように両感温抵抗素子をコイル９０に近接させても、出力側はコイル９０から遠ざけることができるため、コイル９０に起因するノイズが出力側に入り込みにくくなる。

更に、本構成では、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２が、いずれも同一の構造であり且つ同一特性の素子として構成されている。このような構成であるため、温度補正をより高精度に行うことができる。

また、本構成では、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２のそれぞれにおける温度と抵抗値との関係は、コイル９０における温度と抵抗値との関係に近い関係となっている。即ち、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２がコイル９０の材料（例えば銅）に近い特性を示すため、補正の精度をより高めることができる。

＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、第１の感温抵抗素子４１及び第２の感温抵抗素子４２がいずれもリニア正温度係数抵抗素子であったが、ＰＴＣサーミスタなどであってもよい。
（２）実施例１では、電流検出対象となるコイル９０として、車載用のＤＣＤＣコンバータに含まれるチョークコイルを例示したが、これ以外の車載用電子回路に含まれるコイルを対象としてもよい。

１…電流検出回路
２…増幅部
５Ａ…第１の入力路
５Ｂ…第２の入力路
４１…第１の感温抵抗素子
４２…第２の感温抵抗素子
９０…コイル

Claims (2)

1. 電流検出対象となるコイルの一端側に導通する第１の入力路と、
   前記コイルの他端側に導通する第２の入力路と、
   前記第１の入力路に介在する第１の感温抵抗素子と、前記第２の入力路に介在する第２の感温抵抗素子とを備え、前記コイルに電流が流れることで生じる前記コイルでの電圧降下に応じた増幅値を出力する構成をなし、且つ、温度変化に応じて前記コイルの抵抗値が増大するほど増幅率を抑えるように前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子の抵抗値が変化する増幅部と、
   を含む電流検出回路。
2. 前記第１の感温抵抗素子及び前記第２の感温抵抗素子は、いずれも正温度係数抵抗素子である請求項１に記載の電流検出回路。

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