異常電流を安全に遮断する電子サーキット・ブレーカ

■問題

【 MAX15096 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は「MAX15096」を使用した，異常電流を安全に遮断する電子サーキット・ブレーカの回路です．過大電流時に電流を制限する素子としては，チップ・ヒューズやポリ・スイッチもありますが，図1とこれらの素子を比較した場合，説明として誤っているのは(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　MAX15096を使用した電子サーキット・ブレーカの回路⁽¹⁾
電子機器の電流が故障等で異常に大きくなったとき，電子機器の電源を遮断する．

(a) チップ・ヒューズよりも高速に電源を遮断できる
(b) ポリ・スイッチよりも高速に電源を遮断できる
(c) ポリ・スイッチとは異なり周囲温度の影響を受けにくい
(d) ポリ・スイッチとは異なり過大電流保護動作後に交換する必要がない

■ヒント

　図1の電子サーキット・ブレーカは，電子回路によって過大電流を検知し，スイッチ用MOSトランジスタを制御します．一方，チップ・ヒューズは，ヒューズ・エレメントが過大電流で発熱することで溶断し，電源を遮断します．また，ポリ・スイッチは，ポリ・ヒューズとも呼ばれ，過大電流で発熱すると，抵抗値が非常に大きくなり電流を制限します．

■解答

(d) ポリ・スイッチとは異なり過大電流遮断後に交換する必要がない

　電子サーキット・ブレーカは，スイッチ用MOSトランジスタを制御して電源を遮断するため，遮断動作後も素子の破壊が無く，素子を交換する必要はありません．
　一方，ポリ・スイッチは過大電流で発熱すると，抵抗値が増大し，電流を減少させます．そして，電源を落として温度が低下すると，抵抗値は元にもどります．そのため，ポリ・スイッチも交換の必要はありません．電子サーキット・ブレーカとポリ・スイッチは，どちらも交換の必要が無いため，(d)の説明は誤っていることになります．
　ただし，ポリ・スイッチは，過大電流による高温の状態が長時間継続すると劣化し，抵抗値が増加します⁽²⁾．そのため，そのような場合はポリ・スイッチを交換する必要があります．

■解説

●チップ・ヒューズとポリ・スイッチの構造と動作原理
　はじめに，過大電流から電子回路を保護する目的で使用される，チップ・ヒューズとポリ・スイッチについて解説します．チップ・ヒューズは過大電流が流れた後は交換が必要ですが，ポリ・スイッチは過大電流が流れた後も交換の必要はありません．

▼チップ・ヒューズの構造
　図2(a)は，チップ・ヒューズの模式図です．ガラス／セラミック基板の上に，導電性のヒューズ・エレメントが配置され，電極に接続されています⁽³⁾．
　このヒューズ・エレメントに過大な電流が流れると，図2(b)のように発熱し，やがて図2(c)のように溶断します．ヒューズ・エレメントが溶断することで電流が遮断されます．ヒューズ・エレメントが溶断するまでの時間は，チップ・ヒューズの種類や過大電流の大きさによって変化します．高速タイプのチップ・ヒューズの溶断時間は，定格電流の2倍の電流が流れたとき，10ms～5s程度です⁽⁴⁾．

図2　チップ・ヒューズの模式図と動作
過大電流による発熱で，ヒューズ・エレメントが溶断して電流を遮断する．

▼ポリ・スイッチの構造
　図3(a)は，ポリ・スイッチの模式図です．絶縁性のポリマに導電体であるカーボンを配合し，電極を取り付けた構造になっています⁽⁵⁾．
　通常は，カーボン粒子が密着した状態となっており，電気抵抗は小さくなっています．ポリ・スイッチに過大電流が流れると，発熱し温度が上昇します．すると，図3(b)のようにポリマが膨張し，カーボン粒子間に隙間が発生することで，抵抗値が急増します．ポリ・スイッチの抵抗値が大きくなると電流が減少し，発熱と抵抗値がバランスする状態で安定します．過大電流が流れてから，電流が減少するまでの時間は，過大電流の大きさによって変わり，0.1秒～数分程度⁽⁶⁾です．
　そして，機器の電源を落とし，ポリ・スイッチの温度が低下すると再び図3(a)の状態に戻ります．素子の破壊が発生しないため，チップ・ヒューズとは異なり，過大電流動作後も交換の必要はありません．

図3　ポリ・スイッチの模式図と動作原理
過大電流による発熱で，ポリマが膨張することで抵抗値が増大し，電流を減少させる．

　チップ・ヒューズとポリ・スイッチは，どちらも過大電流によって発熱し，温度が上昇することを利用しています．そのため，遮断される電流値等が，周囲温度の影響を受けやすい点に注意が必要です．

●MAX15096の遮断電流値の設定方法
　図4は，図1のMAX15096の遮断特性をシミュレーションする回路です．MAX15096は，過大電流と判断して遮断する電流の大きさを，外付け抵抗で設定することができます．

図4　MAX15096の遮断特性をシミュレーションする回路
負荷抵抗の値を変化させることで，負荷電流を変化させる．

　遮断電流値(I_CB)は，CB(Circuit-Breaker)端子とGND間に接続された抵抗(R_CB)で設定します．データシート⁽⁷⁾によると，I_CBは式1で計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　I_CBからR_CBの値を求める場合は，式1を変形した式2を使用します．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　MAX15096で設定可能な最大の遮断電流値は6Aで，そのときのR_CBは式3のように41.2kΩです．

・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　遮断電流値を3Aとするときの，R_CBの値は，式4のように，21.7kΩになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　そこで，図4では「.step」コマンドでR_CBの値を21.7kΩと41.2kΩに切り替え，遮断特性をシミュレーションしてみます．遮断特性をシミュレーションするためには，負荷電流を変化させる必要がありますが，図4ではOUT端子に接続された負荷抵抗(R_L)の値を変化させることで，負荷電流を変化させます．抵抗を使用するのは，理想電流源を負荷として使用すると，遮断動作後のシミュレーションが収束しにくいためです．
　LTspiceには「電圧の値」を抵抗値とみなしてシミュレーションする機能があります．そこで，電流源(I_L)の電流値を変化させ，その電流から抵抗値をB電源(B₁)で計算し，その出力電圧[V(R)]を負荷抵抗の抵抗値として使用します．
　図5は，図4のシミュレーション結果です．

図5　MAX15096の遮断特性のシミュレーション結果
R_CBの値によって，遮断電流値が変わっていることが分かる．

　1段目が負荷抵抗の値を表しています．縦軸の単位が「V」になっていますが，「Ω」に読み替えてください．60Ωの抵抗値を，0.5秒後から小さくしていき，3秒後に60Ωに戻しています．
　2段目がR_Lに流れる電流です．0.5秒後から増加を始め，R_CBが21.7kΩのときは3Aまで増加すると，電流が遮断され，0Aになっています．また，R_CBが41.2kΩのときは6Aで電流が遮断されています．これは，式3,4を使用して計算した結果と一致しています．
　3段目がOUT端子の電圧で，4段目がイネーブル端子(EN)の電圧です．OUT端子の電圧は，負荷電流が遮断電流に達すると，0Vとなり，その状態を保持しています．遮断状態を解除するためには，イネーブル端子の電圧を100μs以上ローレベルとした後，再びハイレベルにする必要があります．図4では4秒後にイネーブル信号が0Vとなり，4.1秒後に再び5Vなっています．OUT端子の電圧は，4.1秒後のイネーブル信号の立ち上がりに合わせて，12Vに復帰しています．

●MAX15096の過大電流遮断時間
　図6はMAX15096の過大電流遮断時間をシミュレーションする回路です．MAX15096の，過大電流遮断時間(過大電流を検出してから，出力MOSトランジスタをOFFして電流を遮断するまでの時間)は，過大電流の大きさによって変化します．そこで，過大電流の大きさを変えて，過大電流遮断時間を比較してみます．

図6　過大電流遮断時間をシミュレーションする回路
スイッチ(S₁)をONさせることで，過大電流状態となるようになっている．

　図6では，スイッチ(S₁)をONさせることで，過大電流状態となるようになっており，そのときの電流はR_shortの値で変わります．そこで「.step」コマンドでR_shortの値を4Ωと2Ωに変化させます．R_shortの値が4ΩのときのS₁がONのときの負荷電流(I_LS)の値は式5のように3.1Aになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　また，R_shortの値が2ΩのときのI_LSの値は式6のように6.1Aになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　図6ではR_CBの値を21.7kとしているため，図4で検証したように遮断電流は3Aです．そのため，設定遮断電流値の103%と203%の過大電流時の遮断時間を検証することになります．
　図7が図6のシミュレーション結果です．

図7　過大電流遮断時間のシミュレーション結果
MAX1506の出力電流は100ms後に一瞬増加し，すぐに0になっている．

　上段が出力電圧で，中段がMAX15096の出力電流です．下段がショート・スイッチの制御信号です．100ms後にショート・スイッチをONさせると，MAX1506の出力電流は一瞬増加しますが，すぐに0になっています．出力電圧も100ms後に低下を開始し，出力コンデンサ(C₂)と負荷電流の時定数で低下して0Vになっています．
　図8は，図7の時間軸を拡大し，99.9msから100.9msの部分を表示したものです．R_shortが4ΩのときのMAX1506の出力電流は，100ms後に3.1Aに増加し，706μsの間その電流を維持した後，減少しています．過電流遮断時間は約0.7msということになります．R_shortが2Ωのときの過電流遮断時間は，図8からは読み取れないため，さらに時間軸を拡大じます．

図8　時間軸を拡大した過大電流遮断時間のシミュレーション結果
R_shortが4Ωのときの過電流遮断時間は約0.7msとなっている．

　図9は図7の時間軸をさらに拡大し，99.99msから100.04msの部分を表示したものです．R_shortが2ΩのときのMAX1506の出力電流は，100ms後から増加し，8μs後に4.5Aとなった直後に，0Aとなっています．過電流遮断時間は約8μsということになります．

図9　さらに時間軸を拡大した過大電流遮断時間のシミュレーション結果
R_shortが2Ωのときの過電流遮断時間は約8μsとなっている．

　以上，電子サーキット・ブレーカについて解説しました．MAX1506の詳しい使い方は，MAX1506の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：MAX15096データシート P14 Typical Application Circuit
(2)タイコエレクトロニクスジャパン：回路保護製品総合カタログ2013-2014 P120 各種信頼性データ／トリップ耐久試験
(3)タイコエレクトロニクスジャパン：回路保護製品総合カタログ2013-2014 P89 チップヒューズの多層デザイン
(4)タイコエレクトロニクスジャパン：回路保護製品総合カタログ2013-2014 P96 溶断時間
(5)タイコエレクトロニクスジャパン：回路保護製品総合カタログ2013-2014 P117 ポリ・スイッチの動作原理
(6)タイコエレクトロニクスジャパン：回路保護製品総合カタログ2013-2014 P118 トリップ時間
(7)アナログデバイセズ：MAX15096データシート P12　Circuit-Breaker Comparator and Current Limit

■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_039.zip

●データ・ファイル内容
MAX15096_1.asc：図4の回路
MAX15096_1.plt：図5のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
MAX15096_2.asc：図6の回路
MAX15096_2.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル