電子ヒューズを使用した小型の短絡、過電圧、熱保護ソリューションの設計方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-09-30
マルツ掲載日：2022-01-31
家庭やオフィス、産業界に電子デバイスが普及する中、ユーザーの安全性を確保してデバイスの稼働時間を最大限に高めるために、小型、低コスト、高速、リセット可能、調節可能な回路保護の必要性が高まっています。従来の溶断方式では、遮断電流が不正確で応答速度が遅いといった問題があり、また、一般的にヒューズを交換しなければならないという煩わしさもありました。
適切な保護ソリューションをゼロから設計することは可能ですが、リセット可能なデバイスに要求される厳しいレイテンシと精度を実現することは容易ではありません。さらに、調節可能な過電流保護、調節可能な突入電流のスルーレート、過電圧クランピング、逆電流ブロッキング、熱保護などの機能も、同じソリューションに期待されています。
このような設計では、多数のディスクリート部品や複数のICが必要となるため、プリント基板上の大きな面積を占め、コストが上昇し、市場投入までの時間が遅れてしまいます。さらに、高レベルの信頼性が求められ、IEC/UL62368-1やUL2367などの国際的な安全規格に適合しなければならないという困難さもあります。
そこで、設計者はこれらの要件を満たすために、従来のヒューズやPPTCデバイスに比べて約100万倍の速さであるナノ秒(ns)の短絡保護が可能な電子ヒューズ(eFuse)ICを採用できます。
この記事では、より高速、堅牢、小型、高信頼性、高コスト効率の回路保護が求められている理由を説明してから、電子ヒューズとそのしくみを紹介します。その後、Toshiba Electronic Devices and Storage Corporationの電子ヒューズオプションをいくつか紹介し、コスト効率が良く、小型で堅牢な保護を求める設計者のニーズをどのようにサポートしているかを紹介します。
回路保護のニーズ
過電流、短絡、過負荷、過電圧などは、電子システムの基本的な回路保護ニーズの一部です。過電流状態とは、導体に過大な電流が流れている状態です。これにより、発熱量が多くなり、火災や装置破損の危険性が生じる可能性があります。過電流状態は、短絡、過剰な負荷、設計上の欠陥、コンポーネントの故障、アークや地絡などによって引き起こされます。回路やデバイスのユーザーを守るためには、過電流保護が瞬時に動作する必要があります。
過負荷状態は、過電流がただちに危険ではない場合に存在しますが、長期的な影響は高過電流状態と同様に安全ではありません。過負荷保護では、過負荷のレベルに応じてさまざまな時間遅延を行います。過負荷状態が増すと、遅延時間が短くなります。過負荷保護には、時間遅延ヒューズやスローブローヒューズを使用することができます。
過電圧状態になると、システムの動作が不安定になるだけでなく、過剰な熱が発生して火災の可能性が高まることもあります。また、過電圧は、システムのユーザーやオペレータに直接的な危険をもたらします。過電圧保護に対しては、過電流と同様に、素早く動作して電源を遮断する必要があります。
用途によっては、安全で安定した動作を確保するために、基本的な保護機能に加えて、調節可能なレベルの過電圧および過電流保護、起動時の突入電流制御、熱保護、逆電流ブロッキングなどの保護機能も必要となる場合があります。これらの回路保護ニーズの組み合わせを満たす、さまざまな回路保護デバイスがあります。
電子ヒューズのしくみ
電子ヒューズICは、従来のヒューズやPPTCデバイスと比較して、より広範な保護機能と高レベルの制御を提供します(図1)。電子ヒューズは、高速短絡保護に加えて、正確な過電圧クランピング、調節可能な過電流保護、調整可能な電圧、突入電流を最小化する電流スルーレート制御、サーマルシャットダウンを提供します。また、逆電流ブロッキング機能を搭載したバージョンもあります。
図1：電子ヒューズは、従来のヒューズやPPTCデバイスを置き換えることができ、追加の保護機能と高レベルの制御を提供します。(画像提供：東芝)
電子ヒューズの性能の鍵となるのは、内蔵されているパワーMOSFETで、そのオン抵抗は通常ミリオーム(mΩ)の範囲にあり、高い出力電流に対応します(図2)。通常の動作では、パワーMOSFETの非常に低いオン抵抗により、VOUTの電圧がVINの電圧とほぼ同じになります。短絡が検出されると、パワーMOSFETは非常に速くスイッチオフし、システムが正常に戻ると、パワーMOSFETは突入電流の制御に使用されます。
図2：低オン抵抗パワーMOSFET(中央上)は、電子ヒューズの高速動作と起動の制御機能を提供するための鍵となります。(画像提供：東芝)
パワーMOSFETに加えて、電子ヒューズのアクティブな性質が、数多くの性能上の利点に貢献しています(表1)。従来のヒューズやPPTCはパッシブデバイスであるため、トリップ電流に対する精度が低いという問題がありました。発熱に時間がかかるジュール熱を利用しているため、反応時間が長くなります。
一方、電子ヒューズは常に電流を監視しており、調節可能な電流制限レベルの1.6倍に達すると、短絡保護が開始されます。保護が開始されると、ヒューズやPPTCの反応時間が1秒以上であるのに対し、電子ヒューズの超高速短絡保護技術は、わずか150～320nsで電流をゼロに近づけます。この反応時間の速さが、システムのストレスを軽減し、堅牢性を高めます。電子ヒューズは短絡しても破壊されないため、複数回使用することができます。
表1：電子ヒューズICは、ヒューズやPPTC(ポリスイッチ)デバイスと比較して、保護速度の高速化、高精度化、保護機能の充実化を実現します。(表提供：東芝)
電子ヒューズは、一回使用デバイスである従来のヒューズに比べて、メンテナンスコストの削減や復旧・修理時間の短縮に貢献します。電子ヒューズには、フォールト状態からの回復方法が2種類あります。フォールト状態が解消されると通常の動作に戻る自動復帰と、フォールト状態が解消された後に外部からの信号が印加されると復帰するラッチ保護です。また、従来のヒューズやPPTCでは実現できなかった過電圧保護や熱保護も実現します。
電子ヒューズの選択
適切な電子ヒューズの選択は、通常、アプリケーションのパワーレールから始まります。5～12Vのパワーレールには、TCKE8xxシリーズの電子ヒューズが適しています。その定格は最大18Vの入力電圧と5Aの入力電流であり、IEC 62368-1規格とUL2367規格に準拠し、3.0mm×3.0mm×高さ0.7mm、0.5mmピッチのWSON10Bパッケージを採用しています(図3)。
図3：東芝の電子ヒューズは、3mm×3mm、高さ0.7mmのWSON10B面実装パッケージに収められています。(画像提供：東芝)
TCKE8xxシリーズは、外付け抵抗で設定される調節可能な過電流制限、外付けコンデンサで設定される調節可能なスルーレート制御、過電圧や不足電圧の保護、サーマルシャットダウン、およびオプションの外付け逆電流ブロックFET用の制御ピンなど、設計者に柔軟性を提供します。
また、設計者は、3つの異なる過電圧クランピングレベルを選択することができます。5Vシステム用の6.04V(TCKE805NA,RFなど)、12Vシステム用の15.1V(TCKE812NL,RFなど)、およびクランピングなし(TCKE800NL,RFなど)です(図4)。過電圧保護機能には、モデルによって自動リトライとクランピングがあり、クランピングのレベルは7%の精度で設定されています。
不足電圧ロックアウトは、外付け抵抗を用いてプログラム可能です。サーマルシャットダウンは、温度が160℃を超えると電子ヒューズをオフにして、ICを過温度状態から保護します。自動復帰型の熱保護機能を搭載したモデルでは、温度が20℃下がると再起動します。
図4：TCKE8xxシリーズ 電子ヒューズは、5Vシステム用の6.04V(TCKE805)のクランピング電圧、12Vシステム用の15.1V(TCKE812)、およびクランピングなし(TCKE800)で利用できます。(画像提供：東芝)
これらの電子ヒューズは、安定した動作を実現するために、起動時の電流や電圧のランプレートを設計者が設定できるようになっています(図5)。電源投入時に大きな突入電流が出力コンデンサに流れ込み、電子ヒューズがトリップして動作が不安定になることがあります。電子ヒューズのdV/dTピン上にある外付けコンデンサは、電圧と電流の起動ランプレートを設定し、煩わしいトリップを防ぎます。
図5：設計者は、電子ヒューズの安定した動作を確保するために、電圧と電流の起動ランプレートを設定することができます。(画像提供：東芝)
設計者はアプリケーションの要件に応じて、逆電流ブロッキング用の外付けNチャンネルパワーMOSFET、入力過渡電圧から保護するための過渡電圧抑制(TVS)ダイオードおよび、電子ヒューズの出力で負の電圧スパイクから保護するためのショットキーバリアダイオード(SBD)を追加することができます(図6)。逆電流ブロッキングは、ホットスワップディスクドライブやバッテリチャージャなどの用途に有効です。外付けのMOSFETは、EFET端子で制御されます。
電源バスに電子ヒューズの最大定格を超えるような過渡電圧が発生するシステムでは、TVSダイオードの追加が必要となります。アプリケーションによっては、電子ヒューズの出力に負の電圧スパイクが現れることがありますが、オプションのSBDは、電子ヒューズだけでなく、負荷側のICやその他デバイスも保護します。東芝では、外付けMOSFETにはSSM6K513NU,LF、TVSダイオードにはDF2S23P2CTC,L3F、SBDにはCUHS20S30,H3Fを推奨しています。
図6：TCKE8xxシリーズ 電子ヒューズの典型的なアプリケーションで、入力過渡電圧保護のためのオプションのTVS、出力ピン上にある負の電圧スパイクから保護するためのSBD、および逆電流ブロッキングのための外付けMOSFETを示しています。(画像提供：東芝)
逆電流ブロッキング用のMOSFETを内蔵した電子ヒューズ
最小限のソリューションと逆電流ブロッキングを必要とするアプリケーションでは、2つの内部MOSFETを含むTCKE712BNL,RF電子ヒューズを利用することができます(図7)。2つ目のMOSFETを内蔵することによる性能低下はなく、両MOSFETのオン抵抗の合計はわずか53mΩと、外付けのブロッキングMOSFETを使用した場合とほぼ同じです。
図7：TCKE712BNL,RF電子ヒューズには、2つのMOSFET(中央上)が含まれており、外付けのMOSFETを必要とせずに逆電流ブロッキングを行うことができます。(画像提供：東芝)
TCKE8xxシリーズの固定電圧設計に対し、TCKE712BNL,RFは4.4～13.2Vの入力電圧範囲を持っています。このような幅広い入力電圧に対応するために過電圧保護(OVP)ピンを備えており、システムのニーズに合わせて過電圧保護レベルを設定することができます。また、TCKE712BNLには、フォールト状態を示すオープンドレイン信号を出力するFLAGピンが追加されています。
まとめ
電子システムにおいて回路やユーザーを確実に保護することは、特にデバイスが普及して故障の可能性が高まる中で、非常に重要です。同時に、設計者はコストとフットプリントを最小限に抑えながら、保護の柔軟性を最大化し、適切な保護基準を満たす必要があります。
超高速動作、精密性、信頼性、再利用性を備えた電子ヒューズは、従来のヒューズやPPTCデバイスに代わる高性能で柔軟性のあるデバイスを設計者に提供するだけでなく、回路保護やユーザー保護の設計作業を大幅に簡素化するさまざまな機能も備えています。
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