JP4723119B2 - 電流検出用抵抗器の実装構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流検出用抵抗器に係り、特にその抵抗体に被測定電流を流し、抵抗体両端のケルビン端子（電圧検出端子）から電位差を取り出し、測定系の基板上の配線パターンと接続する電流検出用抵抗器の実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流検出用抵抗器は、ｍΩオーダの微小抵抗値を有する抵抗体に、未知の比較的大きな電流を流すことで、抵抗体両端に生じる電圧からその電流値を検出する抵抗器であり、例えばノートパソコン等のバッテリ電流の検出等の用途に広く用いられている。被測定電流Ｉが抵抗体を流れることによって、抵抗体の長手方向両端部に設けた電圧検出端子（ケルビン端子）間に発生する電位差が被測定電流Ｉに比例するとして使用される。
【０００３】
電流検出用抵抗器に被測定電流Ｉを流し、抵抗体両端のケルビン端子から電位差を取り出すことによって電流検出をする場合、理想的には電位差Ｖｉ−Ｖｏは抵抗体の抵抗値Ｒと被測定電流値Ｉの積になる。図３（ａ）は、従来の電流検出用抵抗器の構造例を示す。抵抗体１１の長手方向両端に電極１２，１３を備える。そして電極１２，１３間に被測定電流が流れ、抵抗体１１によって生じる電位差がケルビン端子１５，１６から取り出される。
【０００４】
しかしながら、抵抗体の抵抗温度係数がゼロで無い場合、ケルビン端子間に発生する電位差は、被測定電流による抵抗体の温度上昇のため、抵抗値が変化し、被測定電流に比例しなくなる。即ち、電流と電圧の比例直線関係から外れた部分が検出誤差となる。従来は、抵抗温度係数をゼロに近づけることによって、抵抗体を被測定電流が流れることに起因するジュール熱により、抵抗体の抵抗値が変化することを防いでいた。ところがこれには限界があり、近年被測定電流が大電流化するに伴い、抵抗体の発熱による測定誤差に問題が生じていた。
【０００５】
また、実際には抵抗体のもつ寄生インダクタンスが被測定電流Ｉの時間変化分に対応した電圧を発生させるため、この電圧が検出誤差となる。すなわち、図３（ｂ）の等価回路から明らかなように、ケルビン端子間の電位差は次式により表される。
Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｉ×Ｒ+Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）
ここで、Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）は検出誤差であり、電流変化が大きいほど、つまり高周波であるほど大きくなる。
【０００６】
抵抗体１１のインダクタンスＬｒをゼロに近づけることができれば、この誤差は低減する。しかしながら、抵抗体１１に長さが存在する以上、Ｌｒをゼロにすることは困難であり、近年、例えばノートパソコン等においてもそのクロック周波数が高周波化する傾向にあり、スイッチング電源回路の被測定電流は高周波成分を多く含み、必然的に誤差が生じる原因となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、スイッチング電源回路の電流検出回路のように高い周波数成分まで含有する大電流を検出する電流検出用抵抗器において、その電流検出精度を向上させることができる電流検出用抵抗器の実装構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電流検出用抵抗器の実装構造は、抵抗体と一対の電極とを備えた電流検出用抵抗器と、前記電極がそれぞれ実装された一対のランドパターンと、該一対のランドパターンの対向辺にそれぞれ設けられた電圧検出端子と、該電圧検出端子から引き出された配線パターンと、が形成された基板と、からなる電流検出用抵抗器の実装構造であって、前記抵抗体の両端に前記一対の電極を備え、被測定電流は一の電極から他の電極の方向へ前記抵抗体を介して流れ、前記配線パターンは、前記抵抗体と電気的に絶縁されてその近傍に設けられ、且つ、前記一対のランドパターンの配置方向であって前記抵抗体と並行となるように延長した延長部と、該延長部の終端から前記一対のランドパターンの配置方向に対して直角となる方向に引き出した引出部と、を備えており、一方の電圧検出端子から引き出された配線パターンと、他方の電圧検出端子から引き出された配線パターンとを平面視において交差させ、前記電圧検出端子からそれぞれ引き出した前記延長部の終端の間隔よりも、前記電圧検出端子から引き出した前記延長部の長さを長くしたことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、電圧検出端子に接続する基板上の配線パターンを被検出電流の流れ方向と同一方向に配置し、且つある程度の長さを持たせることで、その部分の配線パターンと抵抗体との間に相互誘導が生じる。これにより抵抗体のインダクタンス分による誘導電圧を打ち消すことができ、測定系から見た抵抗体の誘導電圧によって発生する検出誤差をゼロとすることが可能である。従って、スイッチング電源回路の被測定電流等の高周波成分を多く含む電流に対して、良好な精度で電流値の検出が行える。
【００１０】
又、本発明の電流検出用抵抗器の実装構造は、被測定電流電極の一部を電圧検出端子として用いている電流検出用抵抗器において、前記被測定電流電極の前記電圧検出端子部分と基板上のパターンの接続点を、前記電流検出用抵抗器の抵抗体の被測定電流に沿った方向の中心軸から、離隔して配置したことを特徴とする。ここで、前記電圧検出端子部分と基板上のパターンの接続点を、さまざまな電流値において、電圧検出端子間電圧／電流値が略一定となる位置にずらせて配置することが好ましい。
【００１１】
上述した本発明によれば、電流検出用抵抗器に被測定電流を流すと発熱するが、その温度は中央部が最も高くなる。ここで、抵抗体１１が正の温度係数を持っているとすると、周囲に比較して中央部の抵抗値が高くなり電流分布は周辺部分に集まってくる。即ち、電流経路の中心軸に電圧検出端子を配置すると、抵抗値が実質的に上昇し、検出誤差の原因となる。さまざまな電流量に対して、等電位差÷電流量（＝抵抗体抵抗値）にあまり変化の無い部分が中心軸より外側に、中心軸に対して対称位置に生ずる。従って、ケルビン端子と測定系の配線パターンの接続部分をこの場所に設ければ、温度係数に起因する抵抗値変化に対する電流検出誤差の軽減が実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ）（ｂ）および（ｃ）（ｄ）は、それぞれ本発明の第一の実施形態の電流検出用抵抗器の下面図と基板上のランドパターン図であり、（ｅ）はその等価回路図である。電流検出用抵抗器は、例えば銅ニッケル合金からなる抵抗体１１の長手方向両端部に電極１２，１３を備える。そして電極１２，１３間に被測定電流が流れ、抵抗体１１によって生じる電位差が被測定電流電極のランドパターン１２ａ，１３ａの電圧検出端子１５，１６から取り出される。この実装構造においては、電圧検出端子１５，１６に接続する配線パターン１７，１８は被測定電流経路に沿って延長してから、該経路と直角方向に引き出されている。配線パターン１７，１８は抵抗体１１から電気的に絶縁されている。この配線パターンは差動増幅器等からなる電圧検出器（図示しない）に接続される。
【００１４】
配線パターン１７，１８は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、ランドパターンの中心軸に対してずらせて配置しても良く、図１（ｃ）（ｄ）に示すように、ランドパターンの中心軸に対して一致するように配置しても良い。いずれにしても、抵抗体１１の近傍にその電流の流れ方向と並行に、絶縁状態を保ちつつ配置することで、配線パターン１７，１８に図中の矢印で示すように磁気的な結合を与えることができる。尚、図１の（ｂ）のランドパターンにおいては、配線パターン１７は、ビアホールを介して基板裏面側に入り、直角方向に方向を変えて、再びビアホールを介して基板表面側に戻る。従って、基板表面側に配置された配線パターン１８との交差は基板裏面側にて行われる。
【００１５】
上述の構造をとると、図１（ｅ）に示すように、抵抗体１１の被測定電流経路とケルビン端子からの配線パターン１７，１８が相互インダクタンスＭにより磁気結合する。従って、ケルビン端子１５，１６間で検出される電圧には、被測定電流経路のインダクタンスの影響による電流の時間的変化に比例した誤差電圧に対して、相互インダクタンスＭにより形成される電圧がこれを打ち消すように作用する。
【００１６】
図１（ｅ）に示す等価回路より、ケルビン端子１５，１６の電圧Ｖｉ，Ｖｏは以下のように表される。
Ｖｉ＝Ｖｒｅｆ+Ｉ×Ｒ+Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）−Ｍ×（ｄＩ／ｄｔ）
Ｖｏ＝Ｖｒｅｆ+Ｍ×（ｄＩ／ｄｔ）
∴Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｉ×Ｒ+Ｌｒ×（ｄＩ／ｄｔ）−２×Ｍ×（ｄＩ／ｄｔ）
ケルビン端子引出し線の長さを調節して、
Ｌｒ−２×Ｍ＝０
とすれば、
Ｖｉ−Ｖｏ＝Ｉ×Ｒ
となり、抵抗体１１の有するインダクタンスＬｒによる誤差電圧が完全に補償され、理想的な電流検出用抵抗器の検出電圧とすることができる。
【００１７】
図２は、本発明の第二の実施形態の実装構造を示す。図２に示すように、電流検出用抵抗器に被測定電流を流すと発熱するが、その温度は中央部が最も高くなる。ここで、抵抗体１１が正の温度係数を持っているとすると、周囲に比較して中央部の抵抗値が高くなり電流分布は同図矢印Ａで示すように周辺部分に集まってくる。電流は等電位面に直交するから、等電位面Ｂは曲線を描くようになる。この等電位面Ｂは、電流量変化→発熱分布変化→抵抗分布変化、が平衡した段階で決まる。さまざまな電流量に対して、等電位差÷電流量（＝抵抗体抵抗値）にあまり変化の無い部分が中心軸より外側に、中心軸に対して対称位置に生ずる。ケルビン端子の引出線と主電流電極との電気的接続部分をこの場所に設ければ、温度係数に起因する抵抗値変化に対する電流検出誤差の軽減が実現できる。
【００１８】
即ち、ケルビン端子を被測定電流電極１２，１３からの抵抗体１１の被測定電流に沿った方向の中心軸から、互いに反対方向に離隔した位置に配置する。例えば、図示する例においては、被測定電流電極のケルビン端子１５，１６の位置を、抵抗体の被測定電流の流れ方向に沿った中心軸から距離ａだけ離隔することにより、様々な電流値Ｉに対して電位差Ｖ／電流Ｉを略一定に保つことができる。なお、この実施形態においても、図１（ｂ）に示すランドパターンを用い、ケルビン端子からの測定系に接続する配線パターンを被測定電流経路に沿って、抵抗体１１と電気的絶縁を保ちながら延長してから、直角方向に引き出すことが好ましい。これにより、第一の実施の形態と同様な誘導電圧による誤差の補償効果が得られる。
【００１９】
なお、以上にいくつかの本発明の実施形態について説明したが、上記説明した実施形態は例示であり、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、測定誤差の少ない電流検出用抵抗器の実装構造が提供される。従って、例えばノートパソコン等のように測定対象の電流が高周波化しても、又大電流化しても、電流検出誤差を補償して、安定に且つ容易に高精度で電流を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の電流検出用抵抗器の（ａ）（ｃ）は下面図であり、（ｂ）（ｄ）はそのランドパターン図であり、（ｅ）はその等価回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の変形例の電流検出用抵抗器の下面図である。
【図３】従来の電流検出用抵抗器を示す、（ａ）は下面図であり、（ｂ）はその等価回路図である。
【符号の説明】
１１ 抵抗体
１２，１３ 電極
１５，１６ 電圧検出端子（ケルビン端子）
１７，１８ 配線パターン

Claims (2)

1. 抵抗体と一対の電極とを備えた電流検出用抵抗器と、
   前記電極がそれぞれ実装された一対のランドパターンと、該一対のランドパターンの対向辺にそれぞれ設けられた電圧検出端子と、該電圧検出端子から引き出された配線パターンと、が形成された基板と、からなる電流検出用抵抗器の実装構造であって、
   前記抵抗体の両端に前記一対の電極を備え、被測定電流は一の電極から他の電極の方向へ前記抵抗体を介して流れ、
   前記配線パターンは、前記抵抗体と電気的に絶縁されてその近傍に設けられ、且つ、前記一対のランドパターンの配置方向であって前記抵抗体と並行となるように延長した延長部と、該延長部の終端から前記一対のランドパターンの配置方向に対して直角となる方向に引き出した引出部と、を備えており、
   一方の電圧検出端子から引き出された配線パターンと、他方の電圧検出端子から引き出された配線パターンとを平面視において交差させ、前記電圧検出端子からそれぞれ引き出した前記延長部の終端の間隔よりも、前記電圧検出端子から引き出した前記延長部の長さを長くしたことを特徴とする電流検出用抵抗器の実装構造。
2. 前記電圧検出端子を、前記一対のランドパターンの配置方向における中心軸から離隔して配置したことを特徴とする請求項１に記載の電流検出用抵抗器の実装構造。

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