かつては機械システムを採用していた車両は、ステアリング、点火、ライト、オーディオ エンターテイメントなどの機能に油圧システムや電気システムが追加され、今では最先端の電子機器が満載になっています。また、電子機能の向上に伴い、電源回路や照明システムにおける静電放電 (ESD) やスイッチング負荷によって回路が電気的に損傷するリスクも高まります。
ESDは立ち上がり時間が速く、ピーク電圧と電流が高いという特徴があり、電子制御ユニット (ECU)、インフォテインメント デバイス、センサー、燃料インジェクター、パワートレイン、その他多数の自動車サブシステムに損害を与える可能性があります。このような壊滅的な損害を軽減するには、回路保護コンポーネントが必要です。
回路保護コンポーネント には、バリスタ、ヒューズ、突入電流リミッタ、ガス充填サージアレスタ (GDT)、正温度係数 (PTC) サーミスタと負温度係数 (NTC) サーミスタなど、さまざまなデバイスが含まれます。これらのデバイスは、ボード レベルの集積回路 (IC) やその他のコンポーネントを過電圧、過電流、過熱、ESDから保護します。その結果、コンポーネントの寿命と信頼性が向上し、メンテナンスコストも削減されます。
自動車用電子機器では、過渡サージによってエンジン冷却システム、通信バス、バルブ、モーター、加水分解コントローラなどが損傷する可能性があります。そのため、自動車設計者は、ESD、サージ、負荷ダンプ、その他の脅威に対する保護メカニズムを実装することが不可欠です。
まず、電圧クランプによって過電圧保護を提供する2端子半導体デバイスである バリスタについて見てみましょう。バリスタはインピーダンスを桁違いに変えることで回路保護を強化し、自動車の設計において電力密度とエネルギー効率を向上させることができます。
バリスタ：過渡現象に対する保護
ツェナーダイオード は、負荷ダンプサージに対する保護によく使用されます。充電中にバッテリーが取り外された場合など、誘導負荷の電源投入時または切り替え時に、不要なスパイク (過渡現象) が発生する可能性があります。修正されない場合、これらの過渡現象は電力線に沿って伝達され、車両の電子システムに損傷を与える可能性があります。
バリスタは、低いしきい値の電圧は影響を受けずに通過させるという点でツェナー ダイオードに似ていますが、アクセス電圧に比例して抵抗が減少します。ツェナーダイオードとは異なり、バリスタは両方向に動作します。
車両の電源、制御、信号ラインを含むアプリケーションにおいて、広範囲の電圧と温度にわたって過渡現象を抑制する Littelfuse の MLA Automotiveシリーズ バリスタを例に挙げてみましょう。バリスタは、電磁両立性 (EMC) に関するIEC 61000-4-2規格に準拠しています。
図1: バリスタはインピーダンスをほぼ開回路から高導電性レベルに変更し、過渡電圧を安全なレベルに制限します。(出典: リテルヒューズ)
これらの回路保護装置は半導体セラミックから製造されています。これらは、最新のリフローおよびウェーブはんだ付け手順と互換性があります。これらはリードレスの表面実装パッケージで提供され、プラスチック製のハウジングに収められたコンポーネントの大きなフットプリントに比べて設計者のスペースを節約できます。たとえば、 V26MLA0603NHAUTO バリスタは、 1.6 × 1 × 0.8 mmの大きさで、動作温度範囲は -55°C ～ 125°Cです。
これは、最大30 Aのサージ電流を処理できる電圧依存抵抗器であり、1 Aのクランプ電流と60 Vのクランプ電圧を備えています。この多層バリスタの最大AC電圧定格は20 VACで、最大DC電圧定格は26 VDCです。
MLAシリーズ デバイスは金属酸化物バリスタ (MOV) であり、広範囲の電圧と電流で動作できる最も一般的なクランプ デバイスです。標準的なシリコンカーバイド (SiC) バリスタとは異なり、MOVの金属酸化物材料は、通常の動作条件での漏れ電流を大幅に低減し、過渡現象をより速くクランプします。
過電圧および過電流保護
自動車用電子機器で広く使用されているもう1つの回路保護デバイスは、 過渡電圧サプレッサー (TVS) ダイオードです。TVSダイオードは、コントローラ エリア ネットワーク (CAN) バスなどの通信バスをESD、電気的高速過渡現象 (EFT)、およびその他の過電圧過渡現象から保護します。
TVSダイオードは、IEC61000-4-2規格で規定された最大レベルを超える繰り返しのESD衝撃を、性能を低下させることなく吸収します。また、サージ耐性に関するIEC61000-4-5規格に従って、非常に低いクランプ電圧でサージ電流を安全に放散します。
TVSダイオードは、負荷ダンプやその他の過渡電圧イベントによって誘発される過渡現象から二次保護を提供することで、自動車用電子機器を保護します。これにより、自動車設計者は部品の交換に伴うコストと手間を大幅に削減できます。
以下は、BournsがサージおよびESD保護アプリケーション向けに特別に設計したTVSダイオードの例です。 SMxJ-Q ダイオードは、12 V ～ 58 Vの範囲のピーク逆電圧と、0 Vからブレークダウン電圧までの1 ps未満の高速応答時間を特長としています。
図2: SMxJ-QシリーズのTVSダイオードは、車載電子機器の過電圧過渡からI/Oインターフェイスとネットワーク バスを保護します。(出典: ボーンズ)
SMAJ-Qシリーズは400 Wの電力損失と40 Aのピーク順方向サージ電流を特長としており、SMBJ-Qダイオードは600 Wの電力損失と100 Aのピーク順方向サージ電流を実現します。次に、SMLJ-Qシリーズは3,000 Wの最小ピークパルス電力損失と300 Aのピーク順方向サージ電流を提供します。
過電流保護が懸念される場合は、最大電流定格が100 Aで、-40℃ ～ 85℃ の温度範囲で動作できるBournsのPTCリセット可能ヒューズがあります。 °°Bournsの MF-MSMF260-2 ヒューズはPCBに簡単に取り付けることができ、設計者が切れたヒューズを頻繁に交換する必要がなくなります。
過熱防止ヒューズ
ヒューズは、自動車用電子機器でよく使用される回路保護装置で、過電流状態でヒューズが溶けて電流の流れを遮断することで、部品が急激な温度サイクルや振動に耐えられるようにします。 たとえば、 B72214S250K101 は、 TDK ブランドであるEPCOSのThermoFuseバリスタの NTシリーズの新製品です。
回路保護装置は、過度の過電圧状態による過熱の際にトリップするように設計された熱結合ヒューズと直列に接続されたディスクバリスタで構成されています。ヒューズが切れると、過熱したバリスタが電源回路から切り離され、電気火災の可能性が防止されます。
図3: ThermoFuseデバイスのNTシリーズは、直径14 mmおよび20 mmのディスク バリスタで構成されています。（出典：TDK）
その結果、より強力な 耐熱性と難燃性が得られます。ヒューズ デバイスには、2本のバリスタ端子ワイヤに加えて、ステータス信号を送信できるモニター出力リードが備わっています。たとえば、LEDはヒューズが切れたことを示すことができます。
NTシリーズの新しいThermoFuseバリスタは、定格電圧130 VRMS ～ 750 VRMS で、8/20 µsパルスで6000 A ～ 10000 Aの最大サージ電流を吸収できます。さらに、10000 Aのサージ電流容量と2 msで480 Jの最大エネルギー吸収容量を備えています。
アプリケーションに合わせた保護
極めて高い信頼性の要求と過酷な動作環境のため、回路保護は常に現代の自動車設計の重要な要素となっています。しかし、先進運転支援システム (ADAS)、自動運転車、車両の電動化の出現により、ESD、負荷ダンプ、サージなどの脅威に対する保護がさらに重要になっています。
自動車の設計が機械式リレー、ソレノイド、スイッチからIGBT、MOSFET、サイリスタへと移行する中、照明からモーター制御、オンボードバッテリー充電器からネットワークバスに至るまでの自動車システムの壊滅的な障害を防ぐ上で、回路保護デバイスの役割が重要になっています。
自動車アプリケーションを慎重に検討し、どの回路保護デバイスがアプリケーションのニーズに適切に対応しているかを確認します。次に、最大サージ電流、ピーク電力消費、瞬間順方向電圧などの主要なパラメータを評価して、信頼性の高い設計を確実に作成します。
