JP2019045254A

JP2019045254A - 電流検出装置

Info

Publication number: JP2019045254A
Application number: JP2017167242A
Authority: JP
Inventors: 陽平常盤; Yohei Tokiwa
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: JP6793611B2

Abstract

【課題】電流検出用抵抗器に印加されるコモンモードノイズの影響を除去し、該抵抗器に流れる高周波電流を高精度で検出可能な電流検出装置を提供する。【解決手段】電流検出用抵抗器１３と、該抵抗器が実装される回路基板と、該抵抗器が実装される第１および第２のランド１１，１２と、該各ランドから引き出された第１および第２の検出パターン１５，１６と、第１のランドと接続した第３の検出パターン１７と、該第３の検出パターンと接続した第４の検出パターン１８とを備えた。第１の検出パターンと第３の検出パターンから第１のランドのノイズ成分電圧を取り出し、第２の検出パターンと第４の検出パターンから第２のランドのノイズ成分電圧と信号成分電圧が重畳した電圧を取り出し、該ノイズ成分電圧と信号成分電圧が重畳した電圧から前記ノイズ成分電圧を差し引くことで、ノイズ成分を含まない信号成分電圧を取り出す。【選択図】図３

Description

本発明は、電流検出用抵抗器を用いた電流検出装置に係り、特に高周波電流の検出に際して、コモンモードノイズの影響を抑えることが可能な電流検出装置に関する。

電流検出用抵抗器を用いて電流を検出する場合に、測定される電圧は例えば数十ｍＶ程度と低く、特に検出する電圧波形の精度、すなわち、高周波電流の検出精度が求められている。その中で、供試電流の電流源から発生するスイッチングノイズなどの外来ノイズによる影響度が高く、電流検出用抵抗器により測定される電圧が、外来ノイズの影響を受けて、正しい電圧波形の測定が困難となる場合がある。

ところで、外来ノイズはその殆どが２本の信号線に同相で伝播するコモンモードノイズである。そこで、従来から、コモンモードフィルタやローパスフィルタを用いて外来ノイズを低減する処理が行われている。

ここで、コモンモードフィルタは、２本の信号線の往路および復路に挿入される２つのコイルを備え当該２つのコイルが磁気結合された構造になっていて、同相電流に対して高いインピーダンスを呈することで、コモンモードノイズを除去するものである。

特開２００３−１２１４７８号公報

しかしながら、コモンモードフィルタやローパスフィルタでは、コモンモードノイズは軽減が可能であるが、除去仕切れなかったノイズが残ってしまい、正しい電圧波形の測定が困難となる場合があるという課題が存在する。

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、電流検出用抵抗器に印加されるコモンモードノイズの影響を除去し、該抵抗器に流れる高周波電流を高精度で検出することができる電流検出装置を提供することを目的とする。

本発明の電流検出装置は、電流検出用抵抗器と、該抵抗器が実装される回路基板と、該回路基板に形成され前記抵抗器が実装される第１および第２のランドと、該各ランドから引き出された第１および第２の検出パターンと、前記第１のランドと接続した第３の検出パターンと、該第３の検出パターンと接続した第４の検出パターンとを備え、
前記第１の検出パターンと第３の検出パターンから前記第１のランドのノイズ成分電圧を取り出し、前記第２の検出パターンと第４の検出パターンから前記第２のランドのノイズ成分電圧と信号成分電圧が重畳した電圧を取り出し、該ノイズ成分電圧と信号成分電圧が重畳した電圧から前記ノイズ成分電圧を差し引くことで、ノイズ成分を含まない信号成分電圧を取り出す、ことを特徴とする。

本発明によれば、従来必要であったコモンモードフィルタやローパスフィルタを用いることなく、回路基板上の検出パターンの付加と簡単な演算処理により、高周波電流に含まれるコモンモードノイズの連続的な除去処理が可能となる。よって、電流検出用抵抗器を用いた電流検出装置における特に高周波電流の検出精度が向上する。

本発明の一実施例の基板表面の回路パターン図である。本発明の一実施例の基板裏面の回路パターン図である。本発明の一実施例の電流検出装置の回路図であり、基板表裏面の回路パターンを重ねて表示し、併せて電圧測定系を表示したものである。すなわち、基板表面１の検出パターン１５，１６は、基板裏面２の検出パターン１７，１８に重なって、配置されていて、重なっている部分を斜線部分Ａで示す。同様に、基板表面の端子２１，２２は、基板裏面の端子２３，２４に重なって配置されている。本発明の一実施例の波形図であり、（ａ）は供試電流Ｉの波形を示し、（ｂ）は基板表裏面の端子２１，２３間の差動アンプＯＰ１の出力電圧Ｖ１の波形を示し、この波形はノイズ成分電圧Ｖｎの波形であり、（ｃ）は基板表裏面の端子２２，２４間の差動アンプＯＰ２の出力電圧Ｖ２の波形を示し、この波形はノイズ成分電圧Ｖｎと信号成分電圧が重畳した電圧Ｖｂ＋Ｖｎの波形であり、（ｄ）は差動アンプＯＰ３で、Ｖ２からＶ１を差し引き演算処理した出力電圧Ｖｏの波形であり、ノイズ成分電圧Ｖｎの除去後の信号成分電圧Ｖｂの波形である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１および図２は、本発明の一実施例の回路基板表裏面の回路パターン配置例を示す図である。図１が基板表面の回路パターン配置例であり、図２が基板裏面の回路パターン配置例であるが、図２は基板表面側から回路基板を透過して見た基板裏面のパターン配置例の図である。

図１に示すように、基板表面１には、電流検出用抵抗器が実装されるランド１１，１２を備え、該ランド１１，１２間に電流検出用抵抗器１３が跨がるように実装される。電流検出用抵抗器１３が例えば０．１ｍΩの抵抗値Ｒを有し、ランド１１，１２間に例えば１００Ａの供試電流Ｉが電流検出用抵抗器１３を通過して流れたとすると、ランド１１，１２間には、１００ｍＶの電圧Ｖが形成され、既知の抵抗値Ｒから電流Ｉが検出される。

ランド１１，１２には、該各ランドから引き出された第１および第２の検出パターン１５，１６を備える。そして、ランド１１，１２間に形成された電圧が、検出パターン１５，１６を経て、回路基板の端子２１，２２に出力され、電圧測定装置で電圧が検出される。ここまでは、従来の電流検出用抵抗器を用いた一般的な電流検出装置と同じである。

しかし、本発明の基板表面１においては、第１の検出パターン１５は、途中（Ｐ１）から二股に分岐し、その一方が第１のランド１１と接続した第３の検出パターン１７を備える。この第３の検出パターン１７は、貫通端子２０を経て、基板裏面２の第３の検出パターン１７に接続され、第３の検出パターン１７は端子２３迄延伸している。

図３に示すように、基板裏面２における第３の検出パターン１７は、貫通端子２０からＰ１迄、基板表面１の第３の検出パターン１７と重なるように配置され、その先は、第１の検出パターン１５と重なるように配置され、基板裏面２の端子２３に接続されている。従って、基板表面１の第１の検出パターン１５と基板裏面２の第３の検出パターン１７は、Ｐ１から端子２１，２３迄、基板の厚さを隔てて平行に重なるように配置されていて、ループを形成していない。

基板表裏面において、検出パターンが重なるように配置されることは、抵抗器に流れる電流Ｉによって形成される磁束が検出パターンにより形成されるループに鎖交しないので重要である。仮に、検出パターンが重なるように配置されず、ループが形成されると、抵抗器に流れる電流Ｉによって形成される磁束が該ループに鎖交し、起電力が生じ、新たなノイズ源となるからである。

さらに、図２に示すように、基板裏面２において、第３の検出パターン１７は、途中（Ｐ２）から二股に分岐し、その一方が第１のランド１１と接続した第４の検出パターン１８を備え、該第４の検出パターン１８はＰ２から端子２４迄延伸する。そして、第４の検出パターン１８は、Ｐ３から端子２４に到る迄、基板表面１の第２の検出パターン１６と、基板の厚さを隔てて、平行に重なるように配置されている（図３参照）。

本発明の回路基板においては、基板表面１の従来の検出パターン（第１および第２の検出パターン１５，１６）に加えて、基板裏面２にも貫通端子２０を介して２本の検出パターン１７，１８を配置している。これら基板裏面２の２本の検出パターン１７，１８は、上述したように、検出パターン１８は検出パターン１７から分岐したものであり、検出パターン１７は検出パターン１５から分岐したものである。

よって、検出パターン１５は第１のランド１１に接続したものであるので、３本の検出パターン１５，１７，１８は、第１のランド１１と導通している。そして、第２の検出パターン１６のみが、第２のランド１２に接続され、第２のランド１２と導通している。

次ぎに、電圧検出系について説明する。図３に示すように、第１の検出パターン１５の端子２１の出力と第３の検出パターン１７の端子２３の出力を入力する第１の差動アンプＯＰ１と、第２の検出パターン１６の端子２２の出力と第４の検出パターン１８の端子２４の出力を入力する第２の差動アンプＯＰ２と、第１の差動アンプＯＰ１の出力と第２の差動アンプＯＰ２の出力を入力する第３の差動アンプＯＰ３を備える。

電圧波形を見る際は、検出パターン１７の端子２３を基準電位にとり、検出パターン１５の端子２１の出力を信号として、差動アンプＯＰ１に入力する。すると、抵抗器１３には、供試電流Ｉが流れ、抵抗値Ｒと電流Ｉの積である信号成分電圧Ｖｂ＝Ｒ×Ｉがランド１２，１１間に生じ、さらにランド１２，１１には、それぞれコモンモードノイズに基づくノイズ成分電圧Ｖｎが生じる。そして、この電圧Ｖｎは、ランド１１から端子２１，２３間に伝播し、ランド１２から端子２２，２４間に伝播する。

従って、端子２１，２３間には、基準電位に対するノイズ成分電圧Ｖｎが検出され、差動アンプＯＰ１の出力Ｖ１には、ノイズ成分電圧のみの波形が出力される。そして、端子２４を基準電位にとり、端子２２を信号として、差動アンプＯＰ２に入力する。従って、差動アンプＯＰ２の出力Ｖ２には、基準電位に対する信号成分電圧とノイズ成分電圧が重畳した電圧Ｖｂ＋Ｖｎが出力され、信号成分電圧にノイズ成分電圧が重畳した波形が出力される。

そして、差動アンプＯＰ２の出力Ｖ２（信号成分電圧Ｖｂとノイズ成分電圧Ｖｎの合計）と、差動アンプＯＰ１の出力Ｖ１（ノイズ成分電圧Ｖｎのみ）を、差動アンプＯＰ３に入力し、Ｖ２からＶ１を差し引く演算を差動アンプＯＰ３にて行うと、出力Ｖ２（信号成分電圧Ｖｂとノイズ成分電圧Ｖｎの合計）から出力Ｖ１（ノイズ成分電圧Ｖｎのみ）が差し引かれ、信号成分電圧Ｖｂのみからなり、ノイズ成分電圧Ｖｎを含まない出力電圧Ｖｏが得られる。

以上を数式にて整理する。
Ｖｂは、抵抗器１３の供試電流Ｉと抵抗値Ｒによる両端のランド１１，１２間の電圧、
Ｖｎは、コモンモードノイズ電圧であり、ランド１１，１２に同相で生じる。
すると、端子２１の出力電圧は、ランド１１のノイズ成分電圧Ｖｎであり、端子２３は接地されているので、基準電位となる。

端子２２の出力電圧は、ランド１２の信号成分電圧Ｖｂ（＝Ｒ×Ｉ）＋ノイズ成分電圧Ｖｎであり、端子２４は接地されているので、基準電位となる。
よって、差動アンプＯＰ２の出力Ｖ２＝Ｖｂ＋Ｖｎ
よって、差動アンプＯＰ３の出力Ｖｏは、Ｖ２からＶ１を差し引き、
Ｖｏ＝Ｖ２−Ｖ１＝（Ｖｂ＋Ｖｎ）−Ｖｎ＝Ｖｂ
よって、信号成分電圧のみからなり、ノイズ成分電圧を含まない出力Ｖｏ＝Ｖｂが得られる。すなわち、ノイズ成分が除去された信号成分のみからなる電圧Ｖｂ（＝Ｒ×Ｉ）が出力される。

図４は、測定した電圧波形例を示す。（ａ）は供試電流Ｉの波形例、および（ｂ）（ｃ）（ｄ）は差動アンプＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３の出力Ｖ１，Ｖ２，Ｖｏの波形例を示している。出力Ｖ１の波形は、ランド１１に生じ、検出パターン１５，１７間を伝播したノイズ成分電圧（Ｖｎ）の波形であり、出力Ｖ２の波形は、ランド１２に生じ、検出パターン１６，１８間を伝播したノイズ成分電圧（Ｖｎ）波形に、ランド１２，１１間に生じた信号成分電圧（Ｖｂ＝Ｒ×Ｉ）波形が重畳した波形である。

出力Ｖ３の波形は、出力Ｖ２から出力Ｖ１を差し引き演算処理した結果、すなわち、
Ｖｏ＝Ｖ２−Ｖ１＝（Ｖｂ＋Ｖｎ）−Ｖｎ＝Ｖｂ
であり、ノイズが大幅に低減されたきれいな、電圧波形が観測されている。すなわち、この電圧波形は、供試電流Ｉ×抵抗値Ｒによる抵抗器の両端のランド１１，１２間に形成された信号成分電圧波形である。

なお、（ａ）供試電流Ｉの波形と、差動アンプＯＰ３の出力である（ｄ）Ｖｏ＝Ｖ２−Ｖ１＝Ｖｂの波形は、供試電流Ｉの波形の屈曲点において、差違が生じている。しかしながら、これは、供試電流Ｉの波形の屈曲点において、抵抗器１３の有する僅かなインダクタンス成分に起因して、電流の変化に伴う電圧が生じたためと考えられる。

よって、本波形例によれば、コモンモードノイズは、２本の信号線の往路および復路に対して、同じ方向（同相）に伝播するという性質により、一方のランド１１からノイズ成分電圧出力を取り出し、他方のランド１２から信号成分電圧とノイズ成分電圧が重畳した電圧出力を取り出し、差し引き演算処理をすることで、ノイズ成分電圧Ｖｎを顕著に低減できた信号成分電圧Ｖｂが得られることを確認できた。

本発明によれば、第１の検出パターン１５と第３の検出パターン１７から第１のランド１１のノイズ成分電圧を取り出し、第２の検出パターン１６と第４の検出パターン１８から第２のランドのノイズ成分電圧Ｖｎと信号成分電圧Ｖｂが重畳した電圧を取り出し、該ノイズ成分電圧Ｖｎと信号成分電圧Ｖｂが重畳した電圧から前記ノイズ成分電圧Ｖｎを差し引くことで、ノイズ成分を含まない信号成分電圧Ｖｂを取り出すことができる。

よって、第３および第４の検出パターンの付加と、差動アンプによる演算処理の付加により、電流検出用抵抗器によるコモンモードノイズを除去した電流検出が可能となる。そして、コモンモードノイズフィルタやローパスフィルタを用いることなく、電流検出用抵抗器による高周波電流の検出を精度良く行うことが可能となる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、電流検出用抵抗器を用いた電流検出装置に好適に利用可能である。

Claims

電流検出用抵抗器と、
該抵抗器が実装される回路基板と、
該回路基板に形成され、前記抵抗器が実装される第１および第２のランドと、
該各ランドから引き出された第１および第２の検出パターンと、前記第１のランドと接続した第３の検出パターンを備えた、電流検出装置。
前記第１の検出パターンは、途中から二股に分岐し、その一方が前記第３の検出パターンを構成する、請求項１に記載の電流検出装置。
前記第３の検出パターンは、前記第１の検出パターンと重なるように配置されている、請求項２に記載の電流検出装置。
前記第３の検出パターンは、途中から二股に分岐し、その一方が第４の検出パターンを構成する、請求項２または３に記載の電流検出装置。
前記第４の検出パターンは、前記第２の検出パターンと重なるように配置されている、請求項４に記載の電流検出装置。
前記第１の検出パターンの端子の出力と前記第３の検出パターンの端子の出力を入力する第１の差動アンプと、前記第２の検出パターンの端子の出力と前記第４の検出パターンの端子の出力を入力する第２の差動アンプと、前記第１の差動アンプの出力と前記第２の差動アンプの出力を入力する第３の差動アンプを備えた、請求項５に記載の電流検出装置。
電流検出用抵抗器と、該抵抗器が実装される回路基板と、該回路基板に形成され前記抵抗器が実装される第１および第２のランドと、該各ランドから引き出された第１および第２の検出パターンと、前記第１のランドと接続した第３の検出パターンと、該第３の検出パターンと接続した第４の検出パターンとを備え、
前記第１の検出パターンと第３の検出パターンから前記第１のランドのノイズ成分電圧を取り出し、前記第２の検出パターンと第４の検出パターンから前記第２のランドのノイズ成分電圧と信号成分電圧が重畳した電圧を取り出し、該ノイズ成分電圧と信号成分電圧が重畳した電圧から前記ノイズ成分電圧を差し引くことで、ノイズ成分を含まない信号成分電圧を取り出す、電流検出用抵抗器の電流検出方法。