回路保護とエネルギー貯蔵

低エネルギーソリューション

テクノロジーの影響力がますます大きくなり、電子機器のコストも低下しているため、10年後には生活のあらゆる側面が何らかの回路によって処理されるようになるのも不思議ではないでしょう。モノのインターネット (IoT) の台頭により、膨大な量のセンサーデータが収集されるようになり、トランジスタのサイズが縮小したことにより、米粒ほどの大きさのシリコンダイ上に信じられないほど強力なプロセッサが製造されるようになりました。

実際、この豊富な技術により、設計者は電子機器の動作限界を押し広げたいと考えており、その結果、海洋、砂漠、宇宙などの過酷な遠隔環境に電子機器が実装されるようになりました。このような環境向けに設計する場合、設計者は、回路がそのような環境（化学的損傷、熱、放射線など）で動作可能である必要があるだけでなく、電源も必要であることを理解する必要があります。

電源は多種多様であり、信頼性、貯蔵能力、実用性など、それぞれに長所と短所があります。スリープ サイクルを使用して電力消費を削減することで、電源への依存を最小限に抑えることができますが、それでも電源は必要です。

有望と思われる技術の一つはエネルギー収集です。このソリューションは、回路に環境からエネルギーを吸収し、このエネルギーを蓄積し、そのエネルギーをより使いやすい形式に変換するというタスクを課します。そのような発生源には、太陽光、風力、振動などがあります。しかし、ここで実際に見落とされている代替エネルギー源があるのでしょうか?

回路保護目的

前述したように、回路保護の基本的な目的は、損傷を受けやすい敏感な回路から有害なエネルギー源を遠ざけることです。この転用は、電圧が回路のしきい値を超えないようにするクランプ ダイオード や、回路に大量の電流が流れるのを防ぐPTCリセット可能ヒューズなど、さまざまな技術を使用して実現できます。

最新の回路保護技術のほとんどは、静的な発生源（人など）からであろうと、予期しないサージ（配電網から発生するものなど）からであろうと、過剰なエネルギーを迂回または消散させることを伴います。回路保護の目的が有害なエネルギーによるコンポーネントの損傷を防ぐことである場合、このエネルギーを消散させるのではなく蓄積することは可能ですか?これを設計でどのように実現できるでしょうか。また、このようなシステムはどのようなアプリケーションにメリットをもたらすでしょうか。

エネルギーハーベスティングと回路保護

一般的なエネルギー収集技術では、エネルギー貯蔵要素（ コンデンサなど）が最小限の回路を介してエネルギー源に直接接続されます。たとえば、太陽電池はコンデンサに接続され、コンデンサは DC/DCコンバータに接続されます。コンデンサの両端の電圧が特定のしきい値に達すると、DC/DCコンバータは電圧を上げてメイン回路に電力を供給します。これは、単純な光ビーコンからIoTセンサーまで、あらゆるものになります。

ただし、有害な発生源からのエネルギーを変換する場合は、エネルギー源を専用の電気経路からではなく、電気経路から迂回させる必要があるため、問題が発生する可能性があります。この設計上の問題をよりよく理解するために、ESD発生源と誘導要素という2つの異なるシナリオを見てみましょう。

ESD発生源

静電気放電の原因は、多くの場合、非常に短時間の高電圧です。日常的なESD発生源の一般的な例としては、ラミネート床の上のショッピングカートや、衣服が皮膚に擦れることなどが挙げられます。どちらの例でも、発生する電圧は10 KVにも達し、人が飛び上がる原因となる可能性があります。

静電気ショックの長さは多くの場合ミリ秒単位であるため、伝達されるエネルギーの合計は非常に小さく、そのためこれらの発生源は人体に害を及ぼしません。さらに、現在では多くの電気回路が、非常に薄いゲートを備えたCMOSテクノロジをベースにしています。これらのゲートは絶縁破壊の影響を受けやすいため、静電気ショックによって簡単に損傷を受ける可能性があります (そのため、静電気防止パッケージなどが必要になります)。このようなソースから保護するには、多くの場合、指定された範囲 (5 Vロジック回路の場合は5.1 Vなど) を超える電圧をクランプするツェナー ダイオードを使用します。

ESD発生源からエネルギーを転用するのは困難です。回路は最小限の電力で迅速に反応できなければならないからです。したがって、このような方法では、アナログ回路（つまり、アクティブな マイクロコントローラ やデジタルロジックは使用しない）に依存する必要があり、1つの方法として サイリスタの使用が考えられます。望ましいレベル (5.1 Vなど) を超える電圧では、ダイオード構成によって主回路がESDソースから電気的に分離され、電力貯蔵要素 (スーパー コンデンサなど) が電気的に接続される可能性があります。これを実現できる可能性のあるコンポーネントは、ダイオード、SCR、サイリスタなどのPN接合に基づくコンポーネントです。

この回路設計における課題は、ダイオードを介して熱として放散するのではなく、エネルギーをストレージ要素に転送すると同時に、回路がESDソースから電気的に分離されていることを保証することです。このエネルギー収集方法は、振動と機械的エネルギーを生成する動きによって静電気も生成されるウェアラブル アプリケーションで非常に有益です。ESDエネルギー貯蔵は、めったに取り扱われない遠隔環境 (監視ステーションなど) では実用的ではありません。 

誘導的情報源

誘導性要素は、逆起電力の動作により、回路保護に関しては回路設計者にとって非常に問題となる可能性があります。インダクタは本質的には電磁石の一種であり、電流が流れると磁場が生成されます。インダクタを流れる電流が一定であれば、生成される磁場も一定になります。一方、電流の流れが変化すると、結果として生じる磁場の強さも変化します。この変化する磁場は、変化する電流と極性が逆の電圧をインダクタに誘導します。この変化に対する耐性は、フィルタ回路で役立ち、突然の電流の変化（サージなど）に抵抗して、経路上の回路への損傷を防ぐことができます。ただし、特にスイッチング回路が関係する状況では、インダクタが回路損傷の潜在的な原因となる可能性があることに注意する必要があります。リレー コイルは、逆極性ダイオードで保護できるはずの回路に逆起電力が損傷を与える可能性がある一般的な例です。リレー コイルをオンにしても、電圧のスパイクは発生しません。これは、電圧の唯一の発生源が電源であるためです (電流スパイクが観測される場合)。リレーコイルの電源が切れると、磁場が崩壊して非常に大きな逆起電力が発生し、その値は数百ボルトに達することもあります。この問題はフライバック ダイオードの使用によって解決されます。フライバック ダイオードは基本的にリレー コイルを短絡し、大きな逆起電力がトランジスタなどの敏感なスイッチング回路に到達するのを防ぎます。

インダクタからの逆起電力はエネルギー収集回路に保存できますが、これを行うとESDエネルギーを保存する場合と同様の課題が生じます。短時間のエネルギーパルスは、外部電源や処理システムに依存しない回路で処理する必要があります。これは、ツェナー ダイオードの配置によって実現できます。ツェナー ダイオードがアクティブになると、敏感な制御回路がインダクタから電気的に分離されます。すると、コンデンサバンクは逆起電力を蓄え、後でエネルギーを再利用できるようになります。回路を保護しながらエネルギーを収集するこの方法は、ソレノイドを制御する必要があるものの、短時間しか使用されないドアロックなどの低電力ホームオートメーションデバイスに実装できます。ソレノイドから発生するエネルギーパルスは、家の入室に関する情報をクラウドに送信するワイヤレスモジュールを駆動するために使用できます。

結論

長い間、電子機器は、バッテリーや主電源など、何らかの信頼性の高い電源を備えた製品に組み込まれてきました。あらゆる場所に電子機器を設置したいという要望と、よりエネルギー効率の高いシステムの必要性から、エネルギー収集は業界でますます人気の分野になりつつあります。

電子機器のエネルギー要件が減り続けるにつれて、ESDや誘導電圧などの小さな発生源から得られる使用可能なエネルギーが増加します。次世代のスマートヘルスセンサーはESD駆動になるのでしょうか?ドアロックを電池で何年も使えるようにすることはできますか?回路保護はエネルギー貯蔵に移行するでしょうか?時間が経てば分かるだろう。