逆極性保護回路の設計 (パートI)
はじめに
自動車の電源システムは、非常に過酷な条件下で動作します。特に、カーバッテリは多数の負荷を処理する必要があり、これらの負荷の状態を同時に判断するのは難しい場合があります。設計者は、これらの負荷がさまざまな動作条件および潜在的故障状態にある場合に、電源ラインから発生するさまざまなパルスの考えられる影響を考慮する必要があります。
これは、逆極性保護回路の設計方法を説明する2部構成シリーズのパートIです。本稿では、車載の電源ラインでのさまざまなパルスを紹介します。それから、PチャネルMOSFET回路に焦点を当て、一般的なタイプの逆極性保護回路について説明します。パートIIでは、NチャネルMOSFETとドライバICを使用した逆極性保護回路の設計について説明します。
パルス妨害
図1は、さまざまなアプリケーションのシナリオで電源ラインに現れる可能性のあるさまざまなタイプのパルスを示しています。たとえば、大電力負荷が突然オフになると、バッテリ電圧がオーバーシュートする可能性があります。また大電力負荷が突然起動すると、バッテリ電圧が低下します。誘導性ワイヤーハーネスが突然ゆるむと、負荷に負の電圧パルスが発生します。一方、発電機が作動すると、ACリップルがバッテリに重畳します。ジャンパ線を使用する場合、バックアップバッテリが正しく適用されず、逆極性が発生するかもしれません。この逆極性は、かなりの間続く可能性があります。
図1 : さまざまなアプリケーションシナリオでのパルスの種類
これらの車載用の電源ラインに存在する可能性のあるさまざまなパルス妨害に対処するために、業界団体および主要な自動車メーカは、電源ラインの過渡パルスをシミュレートするための関連するテスト基準を作りました。これらの規格には、ISO7637-2とISO16750-2のほか、メルセデスベンツとフォルクスワーゲンのテスト基準が含まれます。モジュールの最もフロントエンドである回路として、逆極性保護回路も業界のテスト基準を満たす必要があります。
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逆極性保護回路
逆極性保護回路には、以下の3つの基本的なタイプがあります。
直列ショットキーダイオード
この回路は通常、2A〜3Aの低電流アプリケーションに使用されます。利点として、シンプルさと低コストがありますが、電力損失が大きくなります。
ハイサイドのPチャネルMOSFET
電流が3Aを超えるアプリケーションの場合、PチャネルMOSFETをハイサイドに配置できます。この駆動回路は比較的シンプルですが、PチャネルMOSFETのため高価です。
電源が確実に接続されている場合、PチャネルMOSFETはオープンです。チャネル電圧がわずかに低下して、温度が上昇し、全体的な電力損失が減少します。
電源を逆方向に接続すると、PチャネルMOSFETはクローズになり、寄生ボディダイオードが逆極性保護機能を実現します
ローサイドのNチャネルMOSFET
他の回路では、NチャネルMOSFETをローサイドに配置する必要があります。簡略化されたゲート駆動回路は、費用効果の高いNチャネルMOSFETを使用しています。この回路は、ハイサイドに配置されたPチャネルMOSFETと同じように機能しますが、このシステムの逆極性保護構造は、電源グランドと負荷グランドが分離されています。この構造は、カーエレクトロニクス製品を設計するときにはほとんど使用されません。
図2に、これらの逆極性保護回路の概要を示します。
図2 : 逆極性保護回路の種類
本稿では、PチャネルMOSFETの逆極性保護回路に焦点を当てます。
PチャネルMOSFET
従来の逆極性保護回路のほとんどは、PチャネルMOSFETを使用しており、PチャネルMOSFETのゲートがグランドに接続されています。入力端子が順方向電圧に接続されている場合、電流はPチャネルMOSFETのボディダイオードを通って負荷端子に流れます。順方向電圧がPチャネルMOSFETの電圧しきい値を超えると、チャネルがオンになります。これにより、PチャネルMOSFETのドレイン-ソース間電圧 (VDS) が減少し、電力損失が減少します。一般的に、電圧レギュレータはゲートとソースの間に接続されます。これにより、ゲート・ソース間電圧 (VGS) が、過電圧状態の発生を防止し、そして入力電力が変動した場合の絶縁破壊からPチャネルMOSFETを保護します。
基本的なPチャネルMOSFET逆極性保護回路には、大きなシステム待機電流と逆流電流という2つの欠点があります。これらについて、以下で詳しく説明します。
大規模システムの待機電流
逆極性保護回路にPチャネルMOSFETを使用した場合、VGSと保護回路 (ツェナーダイオードと電流制限抵抗で構成) 周辺でリーク電流が生じます。したがって、電流制限抵抗 (R) は、全体的な待機電力消費に影響を与えます。
Rは大きすぎてはいけません。通常のツェナーダイオードはmAレベルです。電流制限抵抗が大きすぎると、ツェナーダイオードが確実にオンになることができず、クランプ性能が大幅に低下します。これは、VGSに過電圧の危険性をもたらします。一方、Rが大きいほど、PチャネルMOSFETの駆動電流が小さくなり、開閉プロセスが遅くなります。入力電圧 (VIN) が変動すると、PチャネルMOSFETは線形領域 (MOSFETが完全にオンになっていない領域) で長時間動作する場合があります。結果として生じるより高い抵抗は、過熱につながる可能性があります。
図3に、従来のPチャネルMOSFET逆極性保護回路の待機電流を示します。
図3 : 従来のPチャネルMOSFET逆極性保護回路の待機電流
逆流電流
ISO16750の入力電源降下試験を実行で、PチャネルMOSFETは、VINが降下している間、オープンしたままになります。この状況では、システムコンデンサの電圧が電源を逆転させ、システム電源障害を起こし、割り込み機能がトリガーされる可能性があります。重畳AC入力電圧試験では、PチャネルMOSFETが完全にオープンなため、電流の逆流が発生します。これにより、電解コンデンサの充電と放電が繰り返され、過熱の原因となる場合があります。
図4に、入力電源の降下試験を示します。
図4 : 入力電源降下試験
結論
本稿では、従来のPチャネルMOSFET逆極性保護回路と、大きなシステム待機電流や逆流電流などの主な欠点について説明しました。パートIIでは、NチャネルMOSFETと昇降圧ドライバICを使用して、逆極性保護回路設計の利点について説明します。
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