回路保護ソリューションを最適化する際の考慮事項

回路保護の新たな次元

回路保護に関して最も重要な目標は、設計が回路自体だけでなく外部ソースからも保護されるようにすることです。現代の電子機器に損傷を与える最も一般的な原因は、静電気（衣服が皮膚に擦れるなど）です。これはダイオードの使用によって軽減されることが多いです。

回路は、設計が間違っていると、それ自体が損傷する可能性もあります。よくある例としては、 インダクタ — スイッチングリレーは非常に大きな逆起電力を生成する可能性があります。逆起電力はシリコンデバイスに損傷を与える可能性があります。このため、ダイオードはコイルやインダクタと並列に配置され、磁場の突然の崩壊から放出されるエネルギーがトランジスタのコレクタやドレインではなくダイオードに伝導されるようにします。

回路保護をさらに一歩進めたい設計者は、障害シナリオで回路がどのように動作するかを考慮します。典型的な例としては、電源回路と直列にヒューズを組み込むことが挙げられます。このアプローチにより、コンポーネントまたは接続が短絡した場合に回路が危険な量の電流を流すことがなくなります。さらに、設計者は、漏電検出装置 (RCD) を含む複雑な電源管理システムを実装できます。漏電は不適切な設置の兆候となる可能性があるため、漏電があるかどうかをチェックできます。

設計者が見落としがちな重要な領域の1つは、設計した回路が、設計していない他の接続された回路にどのような影響を与えるかということです。自分の回路のことだけを考えるのではなく、周囲の回路もすべて考慮したらどうなるでしょうか?

より思いやりのあるデザイナーになる

生産中の回路の多くは個別かつ閉じられています。つまり、他のデバイスと物理的に接続したり、やり取りしたりすることはありません。ただし、外部デバイス (周辺機器など) と相互作用する回路も多く、多くの場合、これらの周辺機器は元の回路を担当したエンジニアによって設計されていません。優秀なエンジニアは自分の回路を保護できますが、さらに優れたエンジニアは自分の回路が他の回路をどのように保護できるかについても考慮します。エンジニアが、自分自身が設計していない外部周辺機器を考慮して回路保護を設計することを期待するのは、おそらく不公平です。エンジニアは、接続された周辺機器が共通の保護規格に準拠していることをどのように知るのでしょうか?

潜在的な保護方法

以前の記事で説明したように、回路保護は単なる基本回路や電源管理IC以上のものになります。多くのデザインが組み込まれており マイクロコントローラ処理能力は、回路保護に関わる幅広い追加タスクの実行に使用できます。

即時監視

ホスト回路からの電源を必要とする接続された周辺機器の絶対電圧と電流の読み取り値を監視できます。バス仕様 (元の設計エンジニアによって決定) には、電圧と電流の範囲を定義することができます。これらの定義された範囲を超えると、短絡による損傷を防ぐために電源が切断されます。

通信バス

保護回路 (クランプ ダイオードなど) は、予想される電圧と電流の定格が十分に理解されている状況では非常に役立ちます。例えば、外部に接続するように設計されたホストを考えてみましょう。 サーミスタ またはフォト抵抗器。センサーなどの複数の機能を備えたあまり知られていないデバイスに接続する可能性のある接続は、保護するのがはるかに困難です。

たとえば、I2Cなどのデジタル バスには、メモリ (消費電流が少ない) やモーター ドライバー (消費電流が大きい) など、さまざまなデバイスが含まれる可能性があります。このような状況では、メモリ チップは100 mAで壊れる可能性があるため、単純なヒューズや電流制限器はあまり役に立ちませんが、モーター ドライバーでは、モーターが回転し始める前にアンペアが必要になる可能性があります。このような状況では、ホストは接続されたデバイスに応じて電流と電圧の制限を動的に設定できる必要があります。したがって、ホストと接続された周辺機器の間に通信バスを実装する必要があります (既存のデジタル バスに重ね合わせることができるか、専用のバスを設計するかに関係なく)。バスは幅広いコマンドとping信号を指定できるようになり、それによってホストに貴重な電力情報を提供できるようになります。(たとえば、電流と電圧の設定を周辺機器から送信して、ホストが現在のトリップ ポイントを何に設定する必要があるかを把握できるようにします)。バスのもう1つの用途は、適切に動作している周辺機器 (マイクロコントローラに基づく) が定期的にデータ パケットをホストに送信するキープアライブ信号です。周辺マイクロコントローラが電源レールの短絡により故障した場合、マイクロコントローラがキープアライブ データ パケットを送信しなくなるため、ホストはこれを検出できます。

人工知能と予測監視

マイクロコントローラ技術は過去10年間で大幅に改善され、多くのマイクロコントローラに64ビットARMコアと大容量のRAMおよびROMが搭載されるようになりました。IoTとスマート テクノロジーの台頭により、多くのマイクロコントローラーが、ニューラル ネットやその他の機械学習アルゴリズムを実行するように設計された人工知能 (AI) 処理モジュールと統合されるようになっています。これらのAIモジュールは、音声パターンや感覚行動などのユーザー データの処理に使用することを目的としていますが、回路の監視にも使用できる可能性があります。現時点ではシステムは存在しませんが、AIを使用して電圧と電流レベルを監視し、接続、切断、定期的な動作 (起動/動作/スリープ サイクルなど) 中の電力消費の増加などのパターンを認識することができます。通常の動作からの逸脱は、潜在的な障害の警告を表示したり、接続されたデバイスからの大幅な電力消費を防いだりするために使用できます。ある種の回路損傷は発生するまでに時間がかかるものの、その前に重大ではない問題が発生する可能性があるため、この回路保護方法は非常に有益です。

たとえば、故障したリレーでは接点が固着する可能性があり、これは電流消費量の増加（コイルが切り替わる前に作動するのに必要な時間）として現れます。AIシステムは一般的な回路動作を認識するようにトレーニングされ、コイルのスイッチオン時間の増加はAIシステムによって問題として認識されます。

結論

製品の信頼性を確保するには、回路を損傷から保護することが重要です。その製品に接続される可能性のあるすべてのデバイスを考慮すると、義務の範囲を超えていることになります。製品自体とそれに接続されたデバイスを保護する製品は、製品に対する顧客の信頼を大幅に高め、潜在的な独自のセールスポイントを提供できます。