過電圧から電子機器を守るサージ保護回路

■問題

【 LT4356 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，過電圧から電子機器を守る，LT4356(サージ・ストッパ)を使用したサージ保護回路です．LT4356の内部ブロックは，サージ保護機能部分のみを抜き出したものになっています．この回路のVIN端子に，図2のようなピーク電圧80Vのサージ電圧を印加したところ，OUT端子の電圧は，一定の電圧に制限されました．その制限電圧の値にもっとも近いのは，(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　過電圧から電子機器を守る，サージ保護回路
ピーク電圧80Vのサージ電圧を印加したときのOUT端子の電圧は？

図2　VIN端子に印加された，ピーク電圧80Vのサージ電圧

(a) 14V　(b) 20V　(c) 26V　(d) 32V

■ヒント

　図1の回路では，LT4356に内蔵されたチャージ・ポンプ回路の働きで，M₁のゲート・ソース間に14Vの電圧が印加されています．その結果M₁がONし，OUT端子の電圧はVIN端子とほぼ同じ電圧となります．
　この回路に過電圧が入力されると，トランジスタ(Q₁)がONし，M₁のゲート電圧を下げることで，OUT端子の電圧を一定の電圧に制限します．OUT端子の電圧がいくつになったらQ₁がONするのかを考えれば，答えは分かります．

■解答

(c) 26V

　OUT端子の電圧は，抵抗R₁とR₂で分圧され，FB端子に入力されています．一方，OPアンプ(U₁)の反転入力端子には，基準電圧の1.25Vが入力されています．そのため，FB端子の電圧が1.25V以上でQ₁がONし，OUT端子の電圧を制限します．FB端子の電圧が1.25VになるOUT端子の電圧は「1.25*(R₁+R₂)/R₂」で計算できます．図1の定数で計算すると「1.25*(100k+5.1k)/5.1k=25.8」となるため，正解は(c)の26Vです．

■解説

●車載電子機器に印加されるサージ電圧
　車載電子機器の電源としては，一般的に鉛蓄電池が使用されています．そして，鉛蓄電池は，走行中にエンジンの回転を利用して，オルタネータ(発電機)により，充電されます．通常，車載電子機器に印加される電圧は，鉛蓄電池によって安定化されるため，充電中も極端に高い電圧になることはありません．
　ところが，充電中に鉛蓄電池の端子が接触不良を起こして切り離されると，オルタネータの電圧が直接車載電子機器に印加されることになります．このようなとき，車載電子機器には，図2のようなピーク電圧100Vに近いサージ電圧が印加されることがあります．このようなサージ電圧から電子機器を保護するのが，サージ保護回路です．

●サージ保護回路の動作
　図3は，図1のサージ保護回路の動作を，シミュレーションで確認する回路です．LT4356のデータシートに記載されいているブロック図⁽¹⁾から，サージ保護機能の部分を取り出し，シミュレーションできるようにしたものです．

図3　サージ保護回路の動作を，シミュレーションで確認する回路
V₂でピーク電圧80Vのサージ電圧を発生させ，OUT端子の電圧を確認する．

　GATE端子と，OUT端子間のツェナーダイオード(Z₁)は，外付けNch MOSFE(M₁)のゲート・ソース間電圧を14Vに制限するものです．チャージ・ポンプ回路は，単純な定電流源に置き換えています．この電流により，M₁のゲート・ソース間には14Vの電圧が発生し，M₁がONします．その結果，過電圧が印加されていないときのOUT端子には，IN端子とほぼ同じ電圧が出力されます．
　一方，OUT端子の電圧は，抵抗R₁とR₂で分圧され，FB端子に入力されます．そして，OPアンプ(U₁)の反転入力端子には1.25Vの基準電圧源(V₁)が接続されています．そのため，過電圧印加により，OUT端子の電圧が上昇して，FB端子の電圧が1.25Vを越えると，OPアンプ出力がハイレベルとなりQ₁がONします．そうすると，M₁のゲート・ソース間電圧が小さくなり，M₁のオン抵抗が増加して，OUT端子の電圧がそれ以上，上昇しなくなります．
　このように，過電圧が印加されても，OUT端子の電圧は一定の電圧に制限されます．制限電圧(Vlim)は，式1で計算することができ,図2の定数を代入すると約26Vになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　V₂が図2のサージ電圧を発生させる電圧源です．0Vの状態から1ms後に12Vに立ち上がり，さらに90ms後から電圧が急上昇し，100msで80Vになります．その後，300msで再び12Vになるようにしています．図3の回路でトランジェント解析を行い，サージ電圧が印加されたときのOUT端子の電圧を観察します．

●サージ保護回路のシミュレーション結果
　図4は，図3のシミュレーション結果です．VIN端子にはピーク電圧80Vのサージ電圧が印加されています．一方，OUT端子の電圧は，約26Vで制限されていることが分かります．電圧が制限されているときのOUT端子の波形には，若干発振波形が重畳しています．これは図3の回路が簡略化したもので，実際のICの内部回路とは異なっているためです．

図4　サージ保護回路のシミュレーション結果
OUT端子の電圧は，約26Vに制限されている．

●LT4356の応用回路をシミュレーションする
　LT4356には，サージ保護機能だけでなく，過電流保護など，いくつかの機能があります．図5は，LT4356のLTspiceモデルを使用した応用回路の動作を，シミュレーションする回路です．

図5　LT4356の応用回路の動作をシミュレーションする回路
S₁を，0.5sから0.8sの間ONさせて，負荷短絡状態を模擬している．

　IN端子とM₁のドレイン間の抵抗(R_SNS)により，負荷電流を検出します．LT4356は，SNS端子でR_SNSの電圧降下を検出し，その電圧降下が50mV以上になると，負荷電流がそれ以上増加しないよう，GATE端子の電圧をコントロールします．制限される電流値(I_lim)は式2で計算することができ，図5の定数の場合は5Aになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　同時に，TMR端子に接続されたタイマ・コンデンサ(C_TMR)の充電を開始します．負荷電流が大きい状態が継続し，TMR端子の電圧が1.35Vを越えると，GATEピンを0Vとして，M₁をOFFさせます．これは，M₁の破損を防ぐためです．図5のS₁が負荷短絡状態を模擬するものです．オン抵抗は1Ωとなっており，0.5sから0.8sの間，ONするように設定しています．
　図6が図5のシミュレーション結果です．上段がIN端子とOUT端子の電圧です．図4と同様，IN端子に80Vのサージ電圧が加わっても，OUT端子の電圧は26Vに制限されています．中段がM₁のドレイン電流で，下段がTMR端子とS₁のコントロール電圧です．

図6　LT4356の応用回路の動作のシミュレーション結果
サージ保護機能と電流制限・遮断機能が正常に動作している．

　0.5sでS₁のコントロール電圧がハイレベルになり，S₁がONします．すると，M₁のドレイン電流が急激に大きくなりますが，5Aで制限されています．S₁がONすると同時に，TMR端子の電圧が上昇をはじめ，1.35Vに達するとOUT端子の電圧は0Vに低下し，M₁のドレイン電流も0Aになっています．このように，サージ保護機能と電流制限・遮断機能が正常に動作していることが確認できます．
　以上，サージ保護のLT4356について解説しました．LT4356の詳しい使用方法に関しては，データシートを参照してください．

◆参考・引用*文献
(1)アナログデバイセズ：LT4356データシート(P9) BLOCK DIAGRAM

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_037.zip

●データ・ファイル内容
LT4356_Surge.asc：図3の回路
LT4356_Surge.plt：図4のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LT4356-1.asc：図5の回路
LT4356-1.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル