コアレス電流センサー IC とは ?

このページではコアレス電流センサー IC とは何か？そして、その原理や特長を解説しています。
原理や特長を理解することで、使い方や使ったときのメリットをより深く理解いただけると考えています。
コアレス電流センサー IC の中でも、 AKM のコアレス電流センサー IC : Currentier だけが持つ特長に関しては、"Currentier とは ?" で紹介しています。

電流センサーとは基板や配線に流れる電流を主に磁気センサーで検出し、その磁気センサーの出力を用いて電流量に比例した信号を生成するデバイスです。その中で、磁気コアがない方式をコアレス電流センサー IC と言います ( 磁気コアがない = コアレス ) 。コア付電流センサー等、他の電流検出方法については、"電流センサーの種類と特長" にて詳しく紹介しています。

図 1 は、一般的なコアレス電流センサー IC の内部構造図です。
コアレス電流センサー IC は、 3 つの構成要素で成り立っています。

1. パッケージ (一次導体を含む)
2. 磁気センサー (主にホール素子)
3. ASIC

コアレス電流センサー IC は、「 一次導体に電流を流し、発生する磁場をホール素子で電圧として取り出し、 ASIC で増幅・補正して出力する 」という非常にシンプルな原理で出来ております。

以下の 2 .～ 4 . にて、3 つの構成要素の役割を詳しく説明します。

コアレス電流センサー IC におけるパッケージの役割は、磁場の発生と絶縁性の確保の 2 つがあります。

磁場の発生に関わるのが一次導体です。一次導体は測定電流の経路であり、磁場発生部としての役割を持っています。測定電流は、プリント基板から一次導体に流れこみ、一次導体周囲に電流量に比例した磁場 B を発生させます。一次導体はパッケージのリードフレームをそのまま利用して作られています。

電流センサー以外の主要な電流検出方式としてシャント抵抗 ＋ 絶縁方式がありますが、原理的に低発熱が困難という課題があります。これはこの方式が I → V 変換による方法であり、出力電圧 V の大きさを確保するために抵抗値 R の大きさが不可欠なためです。

一方、コアレス電流センサー IC では一次導体はただの電流経路であり、磁場 B が出来ればよいため抵抗値を十分に小さくすることが可能です。電力 P は抵抗値 R に比例する為、抵抗値 R の値が小さいコアレス電流センサー IC は低発熱となります。発熱を抑える事で、システム ( 筐体 / 基板 ) の小型化を実現することが出来ます。

上記の通りコアレス電流センサー IC は低発熱ですが、その中でも特に、AKM ” Currentier ” の一次導体抵抗値は小さく、発熱を抑制しシステム ( 筐体 / 基板 ) の小型化を実現します。これについては、 " Currentier とは? " で紹介しています。

コアレス電流センサー IC のもう 1 つのメリットとして、容易に絶縁性を確保可能という事が挙げられます。図 2 に一般的なコアレス電流センサー IC のパッケージの模式図 ( 透視図 / 断面図 ) を示します。

ここで示す一般的なコアレス電流センサー IC と、AKM のコアレス電流センサー IC Currentier は内部構造が大きく異なります。その差異や効果は、"Currentier とは?" で紹介します。

一般的なコアレス電流センサー IC では、一次導体の上に絶縁フィルムを置き、その上に ASIC を置いた構造となっています。パッケージ内部においては、この絶縁フィルムによって、一次側と二次側の絶縁を確保しています。また、パッケージ外部においては、一次導体と二次側の端子の沿面・空間距離を確保することで、所定の絶縁性能を実現しています。

ASIC は、磁気センサー信号の増幅、電流感度の調整、零電流電圧の調整、各種温度補正を実施する機能を持っています。コアレス電流センサー IC はこの ASIC の働きにより、温度特性の小さい、使いやすい製品となっています。

また、コアレス電流センサー IC の場合、一次側の絶縁電源は不要です。この一次電源不要という点は、設計やレイアウトの観点から使いやすさにつながります。