電流センシング手法：シャント・ホール・DCR・SenseFET

電流を「電圧」に変える4つの原理

電源回路で電流を測る目的は大きく二つあります。一つは過電流・短絡を検知して回路を守る 保護、もう一つは出力電流や相電流をフィードバックして制御する 電流制御 です。どちらも電流そのものを直接デジタル値にはできないので、まず電流を測りやすい量（電圧や磁界）に変換します。この変換原理の違いが、精度・帯域・損失・絶縁・コストという設計上のトレードオフをそのまま決めます。代表的な4方式の変換原理を整理します。

電流 I を観測量に変換する原理:

  シャント抵抗   : V = I × Rsense        （オームの法則、直接）
  ホールセンサ   : V ∝ B ∝ I            （磁界経由、非接触・絶縁）
  インダクタDCR  : V_C ≈ IL × DCR        （巻線抵抗を流用、無損失）
  SenseFET       : Isense = IL / N        （並列セルで電流を分流）

シャントとDCRは電流が抵抗に作る電圧降下を読むので 電流路と電気的につながった（非絶縁） 検出で、ホールセンサは磁界を介すので電流路から 電気的に絶縁 されます。SenseFETはパワーMOSFETのセルの一部を取り出して比例した小電流を得る方式で、これも非絶縁です。それぞれの内部動作を順に見ます。

シャント抵抗 ── 精度・帯域は最良、代償は I²R 損失

最も素直なのがシャント抵抗です。既知の低抵抗 Rsense（典型 0.1〜数十mΩ）を電流路に直列に挿入し、両端の電圧降下 V = I × Rsense を測ります。原理が単純なぶん精度と帯域が最良で、直流から数百kHz以上まで素直に追従します。問題は二つあります。

第一に 損失と発熱 です。シャントには P = I² × Rsense の電力が消費され、これがそのまま熱になります。たとえば 10A・5mΩ なら 0.5W で、大電流ほど I² で効いてくるため Rsense を下げたくなりますが、下げると信号電圧（10A・1mΩ では 10mV）が小さくなり、アンプのオフセットやノイズに埋もれます。低抵抗ほど 発熱は減るが信号対雑音比は悪化 するという綱引きがここにあります。

第二は コモンモード電圧 です。シャントを電源のハイサイド（高電位側）に置くと、両端の差電圧（数十mV）は高い共通電位（数十〜数百V）の上に乗ります。これを正しく読むにはコモンモード耐圧の高い専用電流センスアンプが要ります。逆にローサイド（GND側）に置けばコモンモードはほぼ0で安価なアンプで済みますが、負荷とGNDの間に抵抗が入るためグラウンド電位が浮き、短絡電流が地絡経路を通ると検出できないなどの弱点が出ます。

ホールセンサ ── 絶縁・無挿入損、代償はオフセットと帯域

ホールセンサは、電流が作る磁界をホール素子で電圧に変換します。電流路に半導体薄片を近づけ（あるいはコアに巻いた導体の磁界を集めて）、ホール電圧が磁束密度 B に比例し、B が電流 I に比例することを使います。最大の利点は 電流路と完全に電気的に絶縁 され、かつ抵抗を直列に挿入しないので 挿入損失がほぼ0 な点です。高電圧・大電流のインバータ相電流検出で定番なのはこのためです。

ホール方式の二系統:

  オープンループ : ホール電圧をそのまま増幅して出力
        → 安価・小型だが、コアの非線形・残留磁気で精度が落ちる

  クローズドループ : 2次巻線に逆磁界を流しコア磁束を常に0へ戻し、
                     その帰還電流から I を求める（磁気平衡）
        → 高精度・広帯域だが、消費電力と価格が上がる

弱点は オフセットとドリフト、そして 帯域 です。ホール素子は温度で感度とオフセットが変動し、ゼロ電流でも出力が0からずれます。直流オフセットがそのまま電流誤差になるため、定期的なオフセットキャンセル（チョッパ安定化）を内蔵した製品が使われます。帯域はオープンループで数十kHz、クローズドループでも数百kHz程度が目安で、シャントほど高速な過渡には追従しにくい場合があります。集積型では、絶縁を保ったまま電流路をICのリードフレームに通し、その直上のホール素子で読む 絶縁シャント代替 タイプもあります。

インダクタDCR検出 ── 無損失だが整合と温度補正が要る

スイッチング電源には必ず出力インダクタがあり、その巻線には直流抵抗（DCR、数mΩ）が必ず存在します。この既存のDCRをシャント代わりに使えば、新たな抵抗を挿入せず損失ゼロで電流が読める ——これがDCR検出（ロスレス電流センシング）です。多相VRMなど効率最優先の用途で広く使われます。原理は、インダクタ（L と DCR の直列）に RC を並列接続し、RC のコンデンサ電圧にインダクタ電流を再現させることです。

DCR検出のしくみ:

  インダクタ = L ──直列── DCR
  これに R ──直列── C を並列接続し、C の電圧 V_C を読む

  時定数を一致させると（整合条件）:
      R × C = L / DCR
  このとき  V_C = IL × DCR

  → C 両端電圧がインダクタ電流 IL に DCR を掛けた波形になる

整合条件 R×C = L/DCR が成り立つとき、コンデンサ電圧はインダクタ電流の真の波形（直流＋三角波リプル）を × DCR で忠実に再現します。整合がずれると過渡応答で位相と振幅に誤差が乗り、リプルが実際より大きく/小さく見え、電流モード制御や過電流判定の精度が落ちます。

SenseFET ── パワーMOSFET内蔵、低コストだが低精度

SenseFET（電流ミラーFET）は、パワーMOSFETの数千〜数万個並列セルのうち一部（たとえば数千分の1）を分離し、本流と同じゲート・ドレイン条件で動かして比例した小電流を取り出す方式です。Isense = IL / N（N はセル比）の関係で、追加の挿入抵抗なしにMOSFET内部で電流を分流します。ハイサイドスイッチやスマートパワースイッチに内蔵され、部品点数とコストを抑えつつ過電流保護を実現 できるのが利点です。

ただし精度は4方式で最も劣ります。セル比 N の精度は製造ばらつきに依存し、本流セルとセンスセルのソース電位を厳密に等しく保たないと分流比が崩れます（これを保つためのアンプが要る）。さらに温度・ドレイン電流・オン抵抗の非線形でミラー比が変動するため、典型誤差は数%〜十数%に達します。MOSFETのスイッチング挙動そのものは /power/mosfet-switching-physics/ に支配され、ターンオン直後の過渡ではセンス電流が暴れるためブランキング（一定時間の読み飛ばし）が必要です。精密な計測には不向きだが、閾値判定だけなら十分 という位置づけです。

用途で選ぶ ── 保護か制御か、絶縁が要るか

4方式の素性を一覧で比較します。

選択の軸は明確です。過電流・短絡保護 のように「閾値を超えたか」だけを見る用途は、絶対精度が数%ずれても実害が小さく、損失を嫌うのでDCRやSenseFETが好まれます。一方 電流制御ループや電力計量 のように連続した値の精度が成績を決める用途は、低オフセットのシャント＋専用電流センスアンプか、磁気平衡式（クローズドループホール）を選びます。電流モード制御で各相の電流を読む多相VRMの設計指針は /power/multiphase-vrm-design/ に、制御ループ全体の中での電流検出の役割は /power/pwm-feedback-control/ に整理しています。

まとめ

• 電流センシングは電流を電圧/磁界に変換する原理の違いで素性が決まる。シャント(直接・高精度だが I²R 損失)、ホール(絶縁・無挿入損だがオフセットと帯域が課題)、DCR(インダクタ抵抗流用で無損失だが温度補正必須)、SenseFET(MOSFET内蔵で低コストだが低精度)。
• シャントは4端子ケルビン接続で配線抵抗を外し、低TCR材で自己発熱の影響を抑えるのが前提。低抵抗ほど発熱は減るが信号が小さくなりS/Nが悪化する綱引きがある。
• DCR検出は整合条件 R·C = L/DCR でコンデンサ電圧にインダクタ電流を再現する。整合ずれは過渡誤差を、銅の約+0.39%/℃の温度依存は係数ずれを生むため温度補償が要る。
• 用途で選ぶ。保護(閾値判定) はDCR/SenseFETで十分、制御・計量(連続精度) は低オフセットシャント＋専用アンプか磁気式、絶縁が必須 なら磁気式か絶縁ΔΣ。位置はローサイド(安価)かハイサイド(確実だがコモンモード耐圧要)で部品が決まる。
• 関連は /power/mosfet-switching-physics/・/power/gate-driver-design/・/power/multiphase-vrm-design/・/power/pwm-feedback-control/ を参照。