東芝の現役エンジニアが解説する、回路＆電池異常の解決法！システム回路の異常や故障時の保護・逆接続時の保護・省電力について説明します。本動画で使用している回路図等データは当社Webサイトにて公開しております。ぜひご活用ください。以下URLページより資料をダウンロードただけます。https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/design-development/referencedesign/articles/mosfetgatedriver_powermanagement_rd016.html?utm_source=youtube&utm_campaign=howto&utm_content=bl_TPD7104AF
■チャプター(目次)
0:00 オープニング・アジェンダ
1:18 よくあるお困り事項
4:58 メカニカルリレーについて
8:16 半導体リレーについて
10:48 半導体リレーを適用した回路の概要
14:35 具体的な回路設計
19:48 シミュレーション 負荷ショート(過電流)検出機能動作
21:34 シミュレーション 電源逆接保護機能動作
22:38 まとめ
【書き起こし】【お困りごと解決】システム回路を保護する方法！電池の過電流・逆接続などの異常に対応する回路設計をわかりやすく解説【Multilingual/Jp・En・Zh・Es・Id】
(00:00) みなさんこんにちは、東芝デバイス＆ストレージの堀江と申します 本日はどうぞよろしくお願い致します 今回の動画はバッテリーを使用したシステムの設計を 検討されている方向けの動画となっております 特にバッテリーを使用したシステムにおきましてシステム回路の 異常・故障時の保護、あるいはバッテリーが逆接続された時の保護 あるいはシステム回路がオフ時の省電力に関してお困りの方 ご興味のある方に見てほしいと思いますのでよろしくお願い致します 本日の動画は構成としましては まず最初にお客様が気にされている先ほどの3点に関しまして 細かく説明いたしましてそのお困りごとを解決するために 必要な機能について説明いたします その後に、その機能を実現するために必要となるリレーに関して 従来から使用されている メカニカルリレーと 半導体リレーそれぞれの特徴について説明いたします その後、半導体リレーを使用した具体的な回路設計の方法を示し 最後に設計した回路をシミュレーションで検証いたしまして 皆さまのお悩みを解決できることを示しできればと 思いますので、どうぞよろしくお願い致します
(01:19) まず初めに冒頭に説明いたしました皆様がお困りの 事項に関して改めて説明いたします バッテリーを使用したシステム、バッテリーと言いますと 非常にエネルギー密度が高くて出力インピーダンスが低い システム回路が、例えば故障・異常の状態になりますと 出力の抵抗が等価的に低くなった場合 バッテリーからこちらの故障した箇所を通して 大電流が流れてしまいます、そうしますと システム回路内の部品ですとか道中の部品 あるいはバッテリー、これらの部品にダメージを 与える可能性がありますので保護する必要が出てきます これを実現するためにシステムの過電流を検出して この電流経路を遮断してやるという機能が必要になります 二つ目のお困り事ですけれども バッテリーが逆接続された場合ですね
(02:26) これを主に製造現場ですとか 市場におけるメンテナンス時に発生することなんですけれども オペレーターが誤ってこう接続してしまうことがあるんですけれども するとシステムに対して±逆転した電圧が印加されますので そうするとシステム回路の内部ですよね 主に半導体の、寄生素子がありますのでその寄生素子を通して こういった形で大電流を流す事になりまして先ほどと同様に システム回路の部品、道中の部品、バッテリーにダメージを与える 可能性があり保護が必要になる。その保護を実現するためには バッテリーの逆接続を検出して電流経路を遮断してやる機能が必要 続きまして3点目ですけれどもシステムオフ時の省電力になりますが バッテリーはシステムがオンしている状態でもオフしている状態でも システムに対して電圧を印加し続けます システムがオフの時に電流が0アンペアになれば問題ないけれど 現実はそうはなりません
(03:37) システムがオフしている時にも、内部にはわずかながら こういった形で電流が発生しております この電流が発生することによってシステムがオフにもかかわらず バッテリー（電池）の容量が徐々に徐々に減っていき いざシステムを使いたいという時にバッテリー（電池）が空になっている そういった問題が発生します、ですのでシステムが オフを検出したならば、この電流経路を遮断してあげる そういった機能が必要になります 先ほど説明しました3点の機能を実現するにはどうするかですが 簡単な話でバッテリーとシステムの間にスイッチを設けてやる そして、そのシステムの異常な電流を検出した場合 あるいはバッテリーの逆接続を検出した場合 あるいはシステムがオフであることを検出した場合 このスイッチを切る そういった回路を実現してあげれば良いということになります 次に具体的な回路の説明に入る前に他のスイッチの部分について ちょっと簡単に説明したいと思います 今回は12 V系の鉛蓄電池を使用したシステムを想定して話を進めますが
(04:53) 従来、このスイッチの部分には メカニカルリレーが使用されてまいりました メカニカルリレーをちょっと具体的に説明いたしますと メカニカルリレーといいますのは コイル部とスイッチ部の2つの部分で構成されている部品でして 動作メカニズムを簡単に説明しますと リレーを オンしたい場合、 このコイルに電流を流してあげます そうしますとコイルが電磁石化しまして 金属部が動いて接点が閉じてシステムに電流が供給されます 次にリレーをオフしたい場合、このコイルの電流を遮断します 遮断しますとコイルの電磁石化が解除されますので 解除されますと金属部が元に戻って設定が解放されて システムの電源供給が遮断されると こういったメカニズムで動くのがメカニカルリレーになります こちらがメカニカルリレーを適用した回路の概要図になります メカニカルリレーの特長を説明いたしますと まず最初に半導体を使用しておりませんので 異常電圧に強いという特長がございます
(06:05) 後もう一つは、リレーがオフしているとき この接点部が物理的にオープンになりますので オフ時にはリーク電流は一切存在しないというところも 大きなメリットだと思います 以上、メカニカルリレーは非常に大きなメリットはありますが 一方で注意しなければならないポイントも多数あります その一つ目が、まずサイズが大きいというところです コイルとスイッチ部がありどうしてもサイズが大きくなってしまう 次は開閉動作時間が長いとなるところがあります リレーの製品にもよるんですけれども数ミリsec、一般的には 5msecぐらいかかると思っていただければいいかと思います 次に注意すべきポイントとしましては 寿命が短いというところがあります リレーの接点部には開閉回数の制限がありますので 長期信頼性を要求されるシステムにおいては注意が必要となります あとチャタリングですね、 チャタリング、バウンスが発生するというところですけれども メカニカルリレーですね、スイッチオンする際に この接点が閉じるんですけれども理想的には
(07:16) リレーがオンした際、この黄色の電源電圧が まっすぐ上がっていってそのまま電源電圧が供給される というのが理想なんですけれども 実際はリレーがオンした際にこの接点部がオンオフを繰り返しながら 最後は安定してオンするという動きになります ですのでシステム側の回路が、こういった電圧を加えられても 正常に動くか確認しなければいけないところも 注意するポイントであります 次は、開閉動作時に音がするというところも注意するポイントでして 静音化が要求されるシステムにおきましては注意が必要となります あと注意すべきポイントとしましては 先ほど申したようにリレーを動かす際に コイルに電流を流さなければいけないので 消費電力が大きいというところも注意すべきポイントなります 以上のようにメカニカルリレーには大きなメリットもありますが 注意しなければいけないポイントが非常に多いです 近年はメカニカルリレーに代わって 半導体リレーが使用されるようになってきました
(08:22) 半導体リレーと言いますのはこちらに示す通り MOSFETとドライバーから構成される回路になりますが メカニカルリレーと比べて非常に多くのメリットがあります 特長は先ほどのメカニカルリレーと逆の特長を持つと思ってください まず、半導体を使用しておりますので 絶対最大定格を超えた電圧を印加すると 壊れてしまいますので異常電圧には注意が必要です さらに接点部、接点を物理的に切り離しているのではなくて 半導体を使用しておりますのでオフ時に若干のリーク電流が流れます これはわずかなものですので、気する必要はないですが 若干のリーク電流が存在します 以上の2点が注意すべきポイントとしてはありますけれども 半導体リレーはこれらを補うことも出来る 非常に良いメリットがあります それを説明しますと、まず一つ目はサイズが小さい 先ほどのメカニカルリレーに比べますと、かなり面積を小さく することもできますし低背化も実現することができます あと開閉動作時間が短いという特徴もあります
(09:33) こちらは先ほどは5msecぐらい 開閉動作時間がかかると説明をしましたが 半導体リレーの場合は おおよそ10分の1ぐらいでコントロールすることができます あとはオン時オフ時のスピードをコントロールすることができる のも大きなポイントだと思います あとメカニカルリレーと違いオンオフ動作回数の制限がないので 寿命が長い、というところも大きなポイントかと思います あとメカニカルリレーと異なりまして チャタリングやバウンスが発生しないとか 開閉動作音がしないといった特徴もあります さらにこのMOSFET は電圧駆動ですので、 一度オンした後は消費電力はほとんどかかりません ゲートのリーク電流ぐらいになりますので 消費電力が小さいというところも大きな特長 かと思います 以上説明しました通り 半導体リレーはメカニカルリレーと比べて 様々なメリットがあるということが お分かりいただけたかと思います 皆さんもバッテリーを使用したシステムにおかれましては 半導体リレーを使ってみてはいかがでしょうか？
(10:45) 次に具体的な回路の説明をしたいと思います こちらが半導体スイッチを適用した回路の概要図になります 説明しますと左側にバッテリー、右側にシステム回路があります そしてバッテリーからシステムに対して電流を供給しますが この順方向の電流のオンオフをコントロールする ロードスイッチFETと バッテリーが逆接続された際に 流れる逆方向の電流を遮断するための逆接保護用の FET そしてこれら2つのFETのオンオフをコントロールするドライバー そしてシステムに流れる異常電流、 異常な電流を検出するための電流検出回路 以上のような回路構成となっており、非常にシンプルな 回路構成であるとお分かりいただけるかと思います この回路におきまして注意すべきポイント、難しいポイントは この過電流検出回路の設計になると思いますので、こちらに関して もう少し具体的に説明して参りたいと思います こちらが過電流検出回路の設計をする際の フローを示した図になります
(11:59) まず過電流検出回路はどのように動くかなんですけれども このシステムに流れる電流がありますけれども 電流が流れると、この電流検出抵抗の両端に電圧が発生します 両端に発生した電圧を カレントアンプで増幅してドライバーに入力します ドライバーはこの入力されたカレントアンプの出力電圧と 内部の過電流検出閾値、それを比較しまして その過電流検出閾値の電圧をカレントアンプの出力が 超えますと過電流と判断してこのロードスイッチを遮断する そういった動きになります 実際の回路設計のフローはこちらのようになりますので こちらを具体的に説明してまいります まずこのシステムに流れる最大の消費電流を設定します これはあらゆる環境あらゆる動作条件において システムは正常な動作状態における 最大電流値になりますので注意が必要であります 次に電流検出抵抗の抵抗値を決めることになりますが こちらは抵抗値を上げれば 電流検出の精度を上げることが出来るんですけれども 一方で抵抗で発生する損失が増加しますので、 この電流検出の精度と抵抗で発生する損失は
(13:12) こちらの2つのバランスをとって 設定することが重要になってきます あとひとつ注意すべきポイントとして、このシステムの最大電流が 流れた際の精度は非常に重要になってきますので、 この最大電流が流れた際に発生、電流検出抵抗の両端で発生する 電圧がこのカレントアンプの入力オフセット電圧ですね、 それと比べて十分に大きいというところが 電流検出の精度を確保する上で重要なポイントとなりますので 覚えておいていただければと思います その次にはカレントアンプのゲインを決定します カレントアンプのゲインなんですけれども システムの最大電流が流れた際に こちらの過電流閾値に ちょうどぴったり合うような設計にしてしまいますと 周辺の部品のばらつきによって過電流検出が 早めに機能してしまうということがありますので 若干余裕を持って低めに設定する というところがポイントかと思います 以上のような流れで回路設計しまして 最後はこのいろいろな部品のばらつき検証を行います ばらつき検証はこちら使っている電流検出抵抗のばらつきですとか あとはカレントアンプ、入力オフセットのばらつき、 ゲインを決定する抵抗のばらつき
(14:24) あとはドライバーの過電流検出の電圧の閾値、 こういったばらつきを考慮して検証を行いまして 問題がないことが確認出来て設計完了となります 続きまして、先ほど説明しました設計フローで 具体的な回路設計を実際に実施してみたいと思います こちらが実際の回路を起こした回路図になりますけれども 先程と違いまして上側にバッテリーがありまして 下側にシステム回路があります そしてバッテリーからロードスイッチFETと 電流検出抵抗と逆接保護FETを通して システムに電流を供給するというふうになっておりまして その他の構成は全く同じになっております こちらのドライバーですがいくつか機能を持っておりまして 外部からイネーブル信号をもらって このロードスイッチのオンオフをコントロールする機能と カレントアンプの出力を監視して閾値を越えたならば 過電流と検出してこの部分をロードスイッチFETを遮断する機能と 後はバッテリーの逆接続を検出して、この逆接保護用FETを 遮断するといった機能を持ったドライバーを使用しております
(15:38) それで先ほどのフローに従って過電流検出の回路を 設計していくんですけども まず最初に、システム回路 システム回路に流れる最大電流値を決めなければいけない というところありましたので 今回は、40Aとして設計を進めたいと思います 次に、過電流検出を行うための 電流検出抵抗の抵抗値を決めるんですけれども こちらは今回のシステムにおきましては システム最大電流が流れた際にこの抵抗で発生する損失は 0.8ワットまでは許容できるという条件のもとに設計を進めます そうしますとこの過電流検出を検出するための抵抗値0.8ワットを この最大電流値の40Aの二乗で割ってやった値になりますので 0.5mオームということになります この0.
(16:33) 5mオームを使用しますとシステムの最大電流が流れた際に 発生する電圧は20mVということになりますけれども その20mV というのは こちらで使用しているカレントアンプの入力オフセットのばらつき ±1.11mVとありますけれども、これに対して 十分大きい値ですので過電流検出で精度を確保されているので この値を採用して設計を進めたいと思います 次にカレントアンプのゲインを決定します このカレントアンプのゲインには制約条件がありまして システムの最大電流が流れた際に カレントアンプの出力がドライバーの過電流検出の閾値の ミニマム値を超えてはならないという制約条件がございます ですので、そういった制約条件をこちらの式に起こしまして これをゲインについて解いてあげますと ゲインは39.
(17:21) 2未満でなければならないという条件が出てきます こちらのカレントアンプのゲインは 具体的にこのR2とR4で設定されますので 今回は39.2に対して若干低めな値に 設定する必要があると説明しましたので R2を300オーム、R4を10kオームにしまして ゲインとしては33.3という値を採用します 以上のように設計した回路に対して、 次はばらつき計算を行っていきたいと思います この回路において、ばらつき要因ですけどいつかありまして まず一つ目、このドライバーの過電流の検出の閾値、 このバラつきが今回はミニマム0.8V ティピカル1.02V、マックス1.2Vとしてあります 次はカレントアンプの入力オフセットのばらつきです こちらはカレントアンプの仕様によるんですけれども 今回使用しているカレントアンプにおいては入力のオフセット電圧が ±0.81mVで温度ドリフトが±0.
(18:25) 3ｍVありますので 仕上がりとしてトータル±1.11 mVの、ばらつきとなります あと抵抗ですね、過電流検出の抵抗、抵抗とゲインを設定する抵抗 それぞれ同じばらつきがあると仮定しております 今回は交差が1%の交差であるということと あとはTCRによる抵抗の誤差が１％発生すると仮定して計算します そうしますと過電流を検出するポイントを 計算しますとミニマム値で43A ティピカル値で61.2A、マックス値で78.7Aになります ここでミニマム値が43Aになっておりますが この値がシステムの最大電流値、この40Aより大きいので 問題ないということが確認できたかと思います あとは最大方向にばらついた場合78.7Aになるんですが 78.
(19:33) 7A流れた際にもこの電流検出抵抗の定格、 あとFET の定格的に問題ないということも確認できておりますので 設計的には問題ないということが言えます 以上をもちまして、 具体的な回路設計、過電流検出回路の設計の説明を終わります 続きまして、先ほど設計しました回路図をPSiceで検証してまいります こちらが先ほどの回路図をPSiceに入力したものになります 全く同じ回路になっておりますね、バッテリーのところは12 Vの 安定化電源をつなげるような形にしておりまして 負荷は等価的に、抵抗で表現しております こちらのシミュレーションにおいて、最初はですね システムに対する入力をオフしたいので イネーブル信号を、オフを入力しております そうすると、こちらの出力システム、出力電圧、 こちらになりますけれどもシステムに対して０Vになっております ここのタイミングでドライバーに対してイネーブル信号を 立ち上げますとシステムに対して12Vの電源が供給されます その後にこちらの負荷、短絡電流を流すための回路を作動させますと 過電流を検出するレベルの電流が流れます
(20:50) 今回は62A流します 62Aの電流が流れますとカレントアンプの出力ですね こちらは電圧が徐々に上昇していきまして 閾値に到達すると過電流を検出しまして、このロードスイッチの FETを遮断するという動きがみえるかと思います こちらのシミュレーションを通して分かりいただけることは 冒頭説明したシステムオフ時の省電力といったところが、 イネーブル機能を用いて実現できていることが分かりますし システム回路の故障時異常時の保護はカレントリミッターの機能で 実現できていることがお分かりになったかと思います 続きましてバッテリーが逆接続の際のシミュレーションを 実施いたしました 先ほどと違うところはバッテリーの電圧が+12Vから-12Vに 変わっているだけになります -12Vの電圧が、こちらに印加されているんですけれども こちらのドライバーが逆接保護用のFETをカットオフしてくれてるので システムに対して供給される電圧は0Vのままになっていますし
(22:07) この電流、マイナス方向の電流も一切流れていないところが 確認できております このシミュレーションをもちまして逆接続されたバッテリー含めても 電流を遮断するという機能が実現できていることが お分かりいただけたかと思います 以上で、シミュレーションは終了となりまして このシミュレーションで、冒頭に皆様がお困りの3つに関しまして 解決できているということがを示してきたかと思います 最後に、まとめです。 本日はバッテリー使用した システムの設計を検討されている方に対して システム回路が異常時故障時の保護、 バッテリー逆接続時の保護、システムオフ時の省電力、に関して 半導体リレーを使用して、問題を解決できるということを お示しいたしました そして半導体リレーを使用した具体的な回路設計方法について説明し 最後にシミュレーションで半導体のリレー回路、 それが正常に動作することをお示しいたしました
(23:17) 皆様いかがでしたでしょうか？ もし本日の動画がわかりやすい、 面白いと思われた方はチャンネル登録の方をよろしくお願い致します 皆様の方でこういった回路が知りたい、悩み事があるというのが ありましたらコメント欄に記載いただけると助かります 本日はどうもありがとうございました
※英語/中国語/スペイン語/インドネシア語、多言語の字幕をご用意しております。
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