AN178 - MCS180xファミリの電流センサの定格電流超過時の過渡動作
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概要
このアプリケーションノートでは、MCS180xファミリの電流センサの過渡動作と、MCS180xの電流スパイク (一次回路の短絡など) に対応する能力について説明します。
対応製品
| 製品型番 | パッケージ |
| MCS1800 | SOIC-8 |
| MCS1801 | SOIC-8 |
| MCS1802 | SOIC-8 |
| MCS1803 | SOIC-8 |
| MCS1805 | SOIC-8 |
| MCS1806 | SOIC-8 |
はじめに
MCS180xファミリのセンサは、±5A～±50Aの電流を測定するように設計されています。一次電流は銅のリードフレームを流れ、シリコンダイに統合されたホール効果プローブに磁場を生成します。二次回路は、一次回路からガルバニック絶縁されています (図1参照)。電流センサには、一次電流に比例する出力信号が含まれます。
図1 : MCS180x電流センサ
デバイスは、定格値を超える一定量の電流に耐えることができます。ただし、一次導体抵抗が小さくても (約1mΩ)、熱が放散され、デバイスが故障する可能性があります。さまざまな故障状態が発生する可能性があり、一次回路を流れる電流の量に依存します。
故障状態
一次導体の抵抗 (RT) は、温度 (T) が上昇するにつれて直線的に増加します。RTは式 (1) で計算できます。
$${R_T \over R_{25}} = 1 + α (T - 25ºC) $$ここで、R25は周囲温度での抵抗で、αは2.8 x 10-3 1/°Cです。これは、定電流 (CC) がポジティブフィードバックで熱を放散することを意味します。この熱を十分に放散できない場合、熱暴走が発生する可能性があります。これにより、一次電流の関数として故障が発生するまでの時間が短縮されます。
温度が銅製リードフレームの融点を超えると、一次回路の導体が溶けて開回路が発生する可能性があります。リードフレームで発生した熱は、パッケージ内のモールディングコンパウンドとシリコンダイにも拡散します。銅製リードフレーム、モールドコンパウンド、およびシリコンダイの劣化温度は次のように異なります。
- リードフレーム (一次導体) 融点 : 1060°C以上
- モールドコンパウンドの不可逆劣化点 : 約260℃～300℃
- シリコンダイの絶対最大温度 : 165°C以上
故障は、3つの劣化温度のどれが最初に達したかに依存します。MCS180xファミリの電流センサの熱挙動は、SOIC-8パッケージで数値的および実験的に検討されています。
測定とシミュレーション条件
数値と実験の両方のセットアップで、MCS180xは評価ボードに取り付けられます。(1) (4ページの図2参照)。ピンは、はんだバンプを介して基板パッドに電気的および熱的に接続されています。
注 :
1) 詳細については、MPSのWebサイトで入手可能なMCS180xのデータシートをご参照ください。
図2 : 時間依存の有限要素シミュレーションに使用される数値システム
システム全体を最初に室温にして、CCをパッドに流します。一次導体の抵抗 (RT) は温度 (T) に依存します (3ページの式 (1) 参照)。印加電流の電気的応答と熱的応答は、有限要素法によって計算されます。
結果
図3は、シミュレーションの結果をまとめたものを示しています。
図3 : 定格電流を超えた後のMCS180xの安全状態と障害状態
250Aを超える電流
大電流では、リードフレームの温度が急速に上昇します。たとえば、350Aで銅製のリードフレームは10msで融点に達します。一次導体が溶融すると閉回路になるため、シミュレーションや実験によりリードフレームの破壊点を特定することができます。ただし、シミュレーションでは、リードフレームが融点に達する前にモールディングコンパウンド (リードフレームとダイの間の薄い層) が損傷点に達することが示されています。一次回路と二次回路が短絡していなくても、絶縁層の特性が不可逆的に変化する場合があります。電流センサを確実に動作させるには、MCS180xを安全な状態の範囲内に保つ必要があります (4ページの図3参照)。
150A～250Aの電流
150A～250Aの電流の場合、障害が発生するまでの時間は10ms～200msの範囲です。故障メカニズムは、一次導体に近いモールディングコンパウンド領域が損傷温度に達することによっても引き起こされる可能性があります。したがって、一次導体とダイの間のギャップを埋める材料も損傷を受ける可能性があり、その結果として、一次から二次への絶縁が低下します。
銅製リードフレーム内の詳細な温度分布シミュレーションは、25ミリ秒後、熱が一次導体に沿ってピンを介してPCBに大幅に拡散することを示しています。したがって、25ミリ秒後に発生することは、すべてPCBとMCS180xの熱結合に依存します。200A未満の電流の場合、故障は25ms後に発生するため、故障状態はPCBとICの熱結合に依存します。
50A～150Aの電流
50A～150Aの電流の場合、デバイス全体の温度が同じになるまで熱応答が進行し、パッケージ内で熱平衡が達成されます。つまり、他のパッケージ部品が劣化する前に絶対最大温度定格 (165°C) を超える可能性があるため、シリコンダイは重大な故障メカニズムであるということです。165°Cでは、絶縁はまだ変化していませんが、センサの特性はデータシートの仕様から永久に逸脱する可能性があります。
結論
デバイスの定格を超える電流を印加することは可能ですが、絶縁を含むセンサのすべての部品が変更されないように、持続時間を電流と時間の平面で安全な領域内の値に制限する必要があります (5ページの図3参照)。
25ミリ秒を超えて10秒までの詳細な故障のメカニズムは、表面実装部品とPCB間の熱結合に依存します。PCBがSOIC-8パッケージの面積を十分に超えていれば、その正確な形状は重要ではありません。したがって、PCBの詳細な形状に関係なく、センサが正しくはんだ付けされていれば、安全な状態の領域は5ページの図3に示す領域に近くなります。 (2)
この過渡期の間の重要なパラメータは散逸です。したがって、センサが安全範囲外の状態にさらされる可能性がある場合 (5ページの図3参照)、一次導体抵抗がより小さい部品を検討する必要があります。
注 :
2) 50Aを超える電流の場合、PCBの形状とサーマルリンク環境は、DC電流下でデバイスが到達する長期的な温度に影響を与える可能性があります。
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