回路保護設計、製品、方法

回路保護: デバイスとコンポーネントにとって重要

回路を設計するとき、私たちはしばしば、電源にノイズがなく、コンデンサに抵抗がなく、論理レベルが瞬時に上下する理想的な環境が世界で提供されていると考えがちです。しかし、現実の世界は理想からは程遠い。電源は非常にノイズが多い場合があり (特にDC/DCコンバータ)、コンデンサには等価直列抵抗が存在することが多く、ロジック レベルには一般にさまざまなタイミングの問題が伴います。

コンポーネントやデバイスに対するこれらの現実世界の影響を考慮しても、多くの設計者が対処し忘れがちな領域が1つあります。それは回路保護です。ブレッドボードやプロトタイプPCB上に構築された回路は、実験室環境ではうまく動作するかもしれませんが、現実の世界では必ずしもそのような理想的な条件が提供されるわけではなく、静電気に敏感なコンポーネントを扱ったことがある人なら、これがどうなるかを正確に知っています。サージによる電圧スパイクはレギュレータを損傷する可能性があり、一方、ユーザーからの静電気ショックは予告なしにマイクロコントローラを破壊する可能性があります。設計者は回路がどのような損傷を受けるかを十分に予測することはできないため、できるだけ多くの異なる損傷源から回路を保護することが推奨されます。

回路損傷の一般的な原因

潜在的な損傷の原因は多数ありますが、主なものとしては、静電放電、インダクタのフライバック、主電源サージなどがあります。

静電気放電は静電気放電です。これは、CMOSベースのデバイスにとって、間違いなく最大の致命的要因の1つです。静電気放電はさまざまな発生源から発生しますが、最も一般的な発生源の1つは人間です。人間には、体を布で覆ったり、足の裏にゴムを貼り付けたりする習慣があります。その結果、動き回ると素材やゴムが皮膚や他の表面に擦れ、静電気が発生します。静電気を帯びた人が電子回路に触れると、電荷が人から回路に移り、回路が数千ボルトにさらされる危険性がかなり高くなります。回路に伝達されるエネルギー量は非常に小さいですが、高電圧によりMOSベースのテクノロジー (トランジスタ、レギュレータ、マイクロコントローラなど) の絶縁破壊が簡単に発生する可能性があります。バリアとジャンクションに基づく他のテクノロジー (BJTやFETなど) は静電気ショックの影響を受けにくいですが、それでも損傷を受けるリスクはあります。

インダクタのフライバックは、誘導性要素（コイルやチョークなど）を流れる電流が突然変化したときに発生する現象です。このようなことが起こると、磁場に蓄えられたエネルギーを放出する必要があります。磁場が崩壊すると、電圧が誘導されます (ただし、インダクタの電圧源とは逆の極性になります)。この誘導電圧は「逆起電力」と呼ばれ、シリコンベースの回路などの敏感な回路にとっては非常に危険です。小さなインダクタからの逆起電力も数百ボルトになることがあります。逆起電力の一般的な発生源としては、チョーク、モーター、変圧器などがあります。

主電源サージ（グリッド電源サージとも呼ばれる）は、発電所の故障、変電所の故障、落雷など、いくつかの原因から発生します。主電源サージとは、電力網に大きな電圧スパイクが注入されることです。この突然の急上昇は、電力網に接続されているほぼすべてのデバイスに影響を及ぼす可能性があります。電圧スパイクが電力網に影響を及ぼす典型的な例は、雷雨時の停電です。雷が鉄塔に落ちると、送電網全体にサージが発生します。変電所はサージによって損傷を受け、供給している電力が遮断されるか、またはサージを検出して意図的に電力を遮断し、将来の消費者への被害を防ぐことができます。サージは、電力供給が停止している地域が突然電力網に再接続される電力再接続によっても発生する可能性があります。

回路保護方法

このように、損傷の潜在的な原因は多岐にわたることがわかりますが、どうすればそのような損傷から回路を保護できるのでしょうか?

ツェナーダイオード / 直列制限抵抗器

ツェナーダイオード は、電圧をクランプする機能があるため、最も一般的に使用される回路保護デバイスの1つです。順方向バイアス モードで使用すると、他のシリコン ダイオードと同様に電圧が約0.6 Vにクランプされます。ただし、シリコン ダイオードとは異なり、逆方向バイアス モードで使用すると、電圧が特定の値にクランプされます。

たとえば、5V1ツェナー ダイオードは逆バイアス モードで電圧を5.1 Vにクランプするため、ダイオードの両端の電圧が5.1 Vを超えると、電圧はそれ以上上昇できなくなります。これらのダイオードは、ツェナーダイオードを流れる電流が制限を超えないように、直列制限抵抗器と組み合わせて使用されることがよくあります。直列制限抵抗器は回路を電流スパイクから保護することもできます。ただし、直列制限抵抗は回路の速度性能に影響を与える可能性があり、高インピーダンス入力に適していることに注意してください。

チョーク: インダクタ

チョーク は、電流の急激な変化に耐えることができる特殊なインダクタのペアです。たとえば、電力網からの電圧スパイクが、敏感な回路の電源入力に侵入する可能性があります。チョークを電源入力と直列に配置すると、電圧スパイク（電圧Vに比例する電流スパイクIも発生します）が減少し、回路の残りの部分がサージの影響を受ける可能性が低くなります。

デカップリングコンデンサ

回路が直面する危険は、電圧と電流の急上昇だけではありません。もう一つの潜在的な損害の原因は電圧低下です。電圧低下とは、電源の突然の故障を指し、数百ミリ秒続くことがあります。これはファンやライトなどの単純なデバイスでは特に問題にはなりませんが、コンピューター、ラップトップ、セキュリティ システムなどのデジタル ロジックに依存するデバイスにとっては非常に有害となる可能性があります。

0.5秒以上続く大規模な電圧低下に対処するのは非常に困難ですが (多くの場合、二次バックアップ電源が必要になります)、デバイスの電源オン (無線モジュールなど) によって発生する可能性のある短時間の電圧低下は、デカップリング コンデンサを使用することで解決できます。あ デカップリングコンデンサ これは、通常の動作時には充電されたままですが、電圧低下時にはそのエネルギーを回路に送り返して供給電圧を維持できる大容量のコンデンサにすぎません。このようなコンデンサは、マイクロコントローラのリニア レギュレータなどの電力処理回路の前に配置されることがよくあります。これにより、マイクロコントローラへの電圧が適切に維持されることが保証されます (多くのレギュレータは広い入力電圧範囲を受け入れることができますが、多くのマイクロコントローラは大きな電圧偏差を処理できないことに注意してください)。デカップリング コンデンサのその他の用途としては、DC/DCコンバータ、プロセッサ、センサー、無線モジュール、高速デジタル回路などの他のスイッチング デバイスによって電源に注入されるノイズからの回路保護などがあります。このような場合の良い経験則は、マイクロコントローラの各電源ピンに、マイクロコントローラの電源に接続された専用のデカップリング コンデンサを割り当てることです。

ヒューズ

多くの回路保護技術は外部の影響を考慮することが多いですが、回路自体を保護する必要がある場合もあります。自己防衛の典型的な例としては、 ヒューズ。すべての回路がこの問題に悩まされるわけではありませんが、一部の設計では、障害状態時に大量の電流を流す可能性のある回路が組み込まれている場合があります。

たとえば、プッシュプル アンプは外部デバイスに接続できる可能性がありますが、そのデバイスが最小限のインピーダンスを持つことに依存する場合もあります。この状況では、プッシュプルは短絡する危険性があります。アンプは電流を処理できるかもしれませんが、回路内の他のコンポーネントは処理できない可能性があります。このシナリオでは、ヒューズを電源、入力、出力と直列に使用して、回路が危険な量の電流を引き出せないようにすることができます。ヒューズには多くの種類があり、ワイヤーヒューズは主電源で動作するデバイスに便利ですが、小型のリセット可能なヒューズはArduinoなどのデジタル回路に適しています。

保護ダイオード

保護ダイオード コイルやモーターなどのコンポーネントからインダクタのフライバックが発生する可能性がある設計では重要です。モーターやコイル自体は損傷の危険はありませんが、これらのコンポーネントがマイクロコントローラ、トランジスタ、センサーなどの敏感な回路を含む回路に逆起電力を注入すると問題が発生します。逆起電力の除去は非常に簡単な作業であり、逆起電力を生成すると予想されるデバイスと並列にダイオードを1つ配置するだけで済みます。ダイオードは誘導要素と並列に配置されますが、誘導要素の電圧供給とは逆バイアスされるため、これはDCセットアップでのみ機能することに注意することが重要です。誘導要素への電源がオフになると、逆起電力はダイオードを通過し、回路内の他のコンポーネントから遠ざけられます。

回路保護製品

ディスクリート部品は回路保護に使用できますが、このタスク専用の回路を組み込んだ特定の部品も市場に出回っています。回路保護に使用できるコンポーネントの例をいくつか見てみましょう。

ダイオードマトリックスパッケージ

ダイオード マトリックス パッケージは、複数のダイオードを1つのパッケージに組み込んでおり、幅広い用途に使用できます。最も一般的な用途の1つは、USBコネクタのピン (たとえば、D+ とD-) を外部の静電放電から保護することです。ダイオード マトリックス パッケージの例としては、共通接続のツェナー ダイオード4個を組み込んだ、onsemiの NZQA5V6AXV5 や、7個のダイオードを組み込んでUSBポートを保護し、低容量チャネルを提供するTexas Instrumentsの TPD3E001 などがあります。

過渡電圧抑制ダイオード

これらのダイオード タイプは、特に大きな電圧変動を対象としており、個々の回路接続を保護するだけでなく、逆起電力保護としても役立ちます。サプレッサー ダイオードの一例としては、Diodes Incorporatedの SMAJ33A-13-F が挙げられます。このダイオードは、400 Wのピーク電力を消費でき、応答時間が速く、最大40 Aのピーク電流を流すことができます。抑制ダイオードのもう1つの例としては、Vishayの 5KP100A-E3/54 が挙げられます。この製品は、5,000 Wのピークパルス電力消費が可能で、メインヒューズ/ブレーカーが電源を切断できるまで回路を十分に保護します。

リセット可能なヒューズ

リセット可能なヒューズは、短絡状態で回路の損傷を防ぐことができるコンポーネントです。ただし、通常のヒューズとは異なり、一度切れると交換が必要になります。リセット可能なヒューズはそうではありません。これらのデバイスは通常、正の温度係数を表すPTCタイプです。リセット可能なヒューズは、流れる電流が増加すると温度が上昇することを利用して動作します。温度が上昇すると暴走効果で抵抗が増加し、流れることができる電流が減少します。

市販のPTCヒューズの一例としては、Littelfuse、RF4573-000があります。この自動車グレードのSMDヒューズは、幅広い電圧および電流定格で利用できます。PTCヒューズの別の例としては、Belの0ZRE0075FF1Aがあります。これは、電源などのより強力なデバイスを対象とすることが多いスルーホール デバイスです。

結論

回路に影響を及ぼす可能性のある電気的損傷のメカニズムはいくつかありますが、適切な回路保護コンポーネントとソリューションを組み込むことで信頼性が向上します。したがって、設計している電子機器やデバイスの全体的なパフォーマンスが向上します。