【電源】電流検出抵抗に接続するRCフィルタの設計

スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出抵抗とこの電流検出抵抗に接続されるRCフィルタの設計について説明します。

電流検出抵抗とは？

昇圧チョッパ回路やフライバック回路などのスイッチング電源を見ると、上図のようにスイッチング素子(一般的にはパワーMOSFETが多い)のソースに電流検出抵抗が接続され、この電流検出抵抗R_SENSEとスイッチング素子の接続部がICの電流検出端子(CS端子、ISNS端子なとメーカによって端子名が異なる)に接続されている回路を見かけます。

この電流検出抵抗R_SENSEはスイッチング素子に流れる電流を検出するものであり、過電流保護などに使用されています。

電流検出抵抗に接続されるRCフィルタについて

スイッチング素子のターンオン時には、サージ電流が流れるため、ICの誤動作を引き起こす場合があります。また、外部から電流検出抵抗R_SENSEにノイズが印加される場合、電流検出抵抗R_SENSEが直接ICにノイズが伝達するため、ICの誤動作を引き起こす場合があります。このような場合には、電流検出抵抗R_SENSEにRCフィルタ(C_F,R_F)を接続します。RCフィルタの素子値は、RCフィルタのカットオフ周波数f_CがICの動作周波数f_SWに対して十分大きな値になるように設計します。

カットオフ周波数f_Cの式を以下に示します。
\begin{eqnarray}
f_{C}=\frac{1}{2{\pi}C_FR_F}
\end{eqnarray}

このカットオフ周波数f_Cが動作周波数f_SWの5～25倍程度になるようにします(詳しくは各メーカのデータシートをみてください)。

例えば、動作周波数f_SWが65kHz、カットオフ周波数f_Cが動作周波数f_SWの5倍(または25倍)、フィルタ抵抗R_Fを1kΩとすると、フィルタキャパシタC_Fは、
カットオフ周波数f_Cが動作周波数f_SWの5倍の時

\begin{eqnarray}
C_{F}=\frac{1}{2{\pi}R_Ff_C}=\frac{1}{2{\pi}R_F(5f_{SW})}=489[pF]{\approx}470[pF]
\end{eqnarray}

カットオフ周波数f_Cが動作周波数f_SWの25倍の時

\begin{eqnarray}
C_{F}=\frac{1}{2{\pi}R_Ff_C}=\frac{1}{2{\pi}R_F(25f_{SW})}=97.9[pF]{\approx}100[pF]
\end{eqnarray}

となります。

補足: RCフィルタの異なる設計方法

RCフィルタの時定数C_FR_Fがコンバータのオン時間T_ONの0.1倍程度になるように設計しているデータシートも見かけます。例えば、動作周波数f_SWが65kHz、オンデューティ比Dが0.3、フィルタ抵抗R_Fを1kΩとすると、オン時間T_ONが

\begin{eqnarray}
T_{ON}=\frac{D}{f_{SW}}=461[ns]
\end{eqnarray}

となるので、フィルタキャパシタC_Fは

\begin{eqnarray}
C_{F}×R_{F}&=&0.1×T_{ON}\\
{\Leftrightarrow}C_{F}&=&\frac{0.1×T_{ON}}{R_{F}}=461[pF]{\approx}470[pF]
\end{eqnarray}

となります。