安全規格IECおよびULに準拠した、小型で柔軟かつ正確な回路保護の実現

デバイスとエンドユーザーは、USB Type-C®交流（AC）アダプタ、ネットワーク機器、民生用および産業用電子機器などのアプリケーションでは、電圧、電流、および温度条件によって損傷する可能性があるため、保護する必要があります。従来のヒューズや正温度係数（PTC）サーミスタを使用することで、コンパクトなソリューションとある程度の保護を実現できます。しかし、ますます多くのアプリケーションが、応答時間の短縮、プログラム可能でリセット可能な過電圧保護（OVP）、過電流保護（OCP）、不足電圧ロックアウト（UVLO）、過温度保護（OTP）、ソフトスタート、および/または逆電流ブロッキング（RCB）など、より高いレベルの保護と柔軟性を必要としています。USB Type-C ACアダプタの場合、USB Power Delivery（電力供給）仕様で定められたタイミング要件に準拠した高速ロールスワップ（FRS）にも対応する必要があります。

これらの機能をすべて実装した保護回路の設計は可能ですが、時間がかかります。また、安全規格ULやIEC 62368-1の認証を取得しようとすれば、さらに開発期間が延びます。また、ディスクリート部品を使用したソリューションでは、ソリューション全体のフットプリントが増大する可能性があります。

設計者は、電子ヒューズレギュレータを利用することで、安全規格ULおよびIECに適合したコンパクトで正確な保護機能を迅速に実装することができます。これらの保護ICには、「保護を保持することも障害除去時に自動回復させることも可能になるように、保護閾値をプログラム可能」という設計の自由度があります。また、効率を最大化する低い「オン」抵抗のほか、突入電流を最小限に抑えるソフトスタートが搭載されています。一部のモデルでは、USB Type-CのACアダプタで使用できる認証済みFRS機能を搭載しています。

この記事では、電子ヒューズを取り上げ、その概要、電圧・電流定格、および代表的なアプリケーションを紹介します。次いで、OCP、ソフトスタート、OVP、UVLO、OTPなどの保護機能をどのように実装するかを見ていきます。最後に、特定のアプリケーション向けに最適化されたLittelfuse製の一連の電子ヒューズICと、開発期間を短縮するためのシステム統合・集積上の留意点を紹介します。

電子ヒューズの選定基準

特定のアプリケーションにおける電子ヒューズの要件は、システムの動作電圧と動作電流との強い関連性があります。入力が5V_DC、電流が2アンペア（A）程度までの低電圧・低電流システムでは、OCP、OTP、UVLO、ホットスワップやホットプラグ時の突入電流抑制（dV/dt）などの機能が一般に必要となります。消費電流が2～6A、入力電圧が24V_DCまでのアプリケーションでは、OVP、電流制限/OCP、および「パワーグッド」信号が必要になる場合がよくあります。6A以上の電流と24V_DC以上の電圧を使用するアプリケーションで一般的なのは、システム監視やOCP、RCBのための電流タイマや電流モニタです（図1）。

図1：電子ヒューズの機能群は、アプリケーションの入力電圧（横軸）および入力電流（縦軸）と強い相関があります。（画像提供：Littelfuse）

電流保護とソフトスタート

過電流により、電子部品は、定格動作温度を超えるため、性能が損なわれて寿命が縮まります。電流保護回路は電流（I）を監視します。Iが、定格動作電流「Iout」を超えて設定されているレベルである「I-limit」を超えた場合、入力電流はまず数マイクロ秒（μs）の間、一定レベルに安定化され、その後で安全なレベルまで自動的に低下します。使用する電子ヒューズによって、I-limitの値は固定とすることもプログラム可能とすることもできます。過電流が発生すると、電子ヒューズは一定時間（通常、数ミリ秒（ms））、入力電流を減らし、その後再起動して、障害が解消されたかどうかを確認します。

障害が残っている場合には、電子ヒューズは再び自動で電流を安定化・低減し、数ms待ってから再起動します。「障害がなくなるまで電流を減らして再起動する」というシーケンスは、「ヒカップモード」保護と呼ばれることもあります。短絡状態の場合には、入力電流が急上昇し、電子ヒューズは直ちに入力電流を安全なレベルまで下げます（図2）。

図2：電子ヒューズは、過剰な負荷電流から保護するためのオートリトライ機能が付いた電流制限機能と、短絡保護機能を搭載しています。（画像提供：Littelfuse）

ソフトスタートは、デバイスをオンにしたときに流れる突入電流を制限します。ソフトスタートがない場合は、プリント（回路）基板のトレースと部品の比較的低いインピーダンスだけが、唯一の電流制限要素になります。突入電流が大きいと、電源回路や部品が損傷する場合があります。ソフトスタートはゆっくりと電子ヒューズを起動させることで、スルーレートを制御して突入電流を制限します（図3）。ソフトスタートの速度は固定とすることもプログラム可能とすることも可能です。

図3:電子ヒューズのソフトスタートは有害な可能性がある突入電流を防ぎます。固定とすることも、プログラム可能とすることも可能です。（画像提供：Littelfuse）

UVLOおよびOVP

電圧が高すぎても低すぎても、システムが誤動作したり損傷したりする可能性があります。電子ヒューズのUVLO（Under Voltage Lock Out：不足電圧ロックアウト、つまり低電圧誤動作防止）は、入力電圧があらかじめ設定された閾値より低い場合、デバイスが動作しないようにするものです。また、入力電圧の立ち上がりが遅かったり、電池のように内部抵抗が大きい電源の場合、負荷電流の上昇に伴って電圧が低下するものの、UVLOの閾値より下がるかと思えば再び上がったりすることが何度もあります。そのような場合、UVLO機能は不安定になります。ヒステリシス（遅れ）が約150～300ミリボルト（mV）のUVLO回路を使用すると、UVLO機能が安定し、スムーズに動作するようになります。

OVPは、過大な電圧によるストレスや損傷からデバイスを保護するものです。過電圧状態を検出すると、電子ヒューズが直ちに電圧をクランプ（固定）してシステムを保護し、次いでOVPの機能を停止します。また、出力コンデンサを内部抵抗経由でグランドに放電します。電圧が規定値まで下がると、eFuseは自動的にオンとなります（図4）。OVPの閾値は、固定とすることもプログラム可能とすることもできます。

図4：入力電圧は、OVPクランプ値に達すると、それ以上には上がらなくなり、電子ヒューズが出力をオフにしてシステムを保護します。（画像提供：Littelfuse）

熱保護

過度な温度は損傷や機能低下の原因となるため、電子ヒューズには内部温度センサが搭載されています。OTP（過温度保護）は通常、2段階のプロセスで実装されます。その第1段階である熱安定化温度は通常125℃前後で、この温度で電子ヒューズは電流を制限し、温度上昇を止めようとします。熱安定化温度が上昇し続け、デバイスの接合部温度がサーマルシャットダウン閾値（TSHDN）（通常140℃程度）を超えると、電子ヒューズはオフになります。OTPの第2段階はヒステリシスです。これは、内部温度がTSHDNより20℃下回ると、電子ヒューズが再起動するというものです（図5）。

図5：OTPには、温度が所定量下がると電子ヒューズを再起動させるヒステリシスが搭載されています。（画像提供：Littelfuse）

電池駆動デバイス向けの小型5V電子ヒューズ

Bluetoothヘッドセット、ウェアラブル、タブレットPCなどのアダプタ駆動デバイスの設計者には、OVP、OCP、ソフトスタートを備えた小型ソリューションとして、DFN2X2_8Lパッケージの5V、5A定格のLS0505EVD22と、SOT23_3Lパッケージの5V、4A定格のLS0504EVT233を使用することをお勧めします（図6）。内部スイッチのオン抵抗は50ミリオーム（mΩ）であるため、消費電力が最小限に抑えられます。OVPは過大な電圧が発生すると直ちに反応し、出力コンデンサを放電します。電流制限閾値は外付け抵抗で設定されます。過電流や短絡が発生すると、OCPはヒカップモードで動作します。自動ソフトスタート機能により、電圧の立ち上がりがスムーズに行われ、突入電流が安全なレベルに制限されます。

図6：電子ヒューズLS0504EVT233は、スペースに制約のあるアプリケーションで使用できるように、小型のSOT23パッケージを採用しています。（画像提供：Littelfuse）

18ボルト/5Aの電子ヒューズ

LS1205Eシリーズ 電子ヒューズは、動作電圧範囲2.7～18V_DC、定格電流5Aで、ハードディスクドライブ、ソリッドステートディスクドライブ、およびノートパソコンやネットワーク機器などのアダプタ駆動機器での使用に適しています。この電子ヒューズは、オン抵抗が25mΩのスイッチを搭載し、10ピンのDFN3×3パッケージに収納されています。備えている機能としては、プログラム可能なソフトスタート時間、プログラム可能な電流制限閾値（最大5A）、短絡保護、UVLO、フォールドバックOTPなどがあります。以下の2つのモデルがあります。

LS1205EVは、選択可能な3つの入力電圧範囲を備えています。出力クランプ電圧とUVLO閾値は、選択された入力電圧範囲に基づいて決定されます。

LS1205EFは、UVLO、OVP、短絡、サーマルシャットダウンフォールトの発生を知らせるオープンドレインフォールトインジケータ機能を搭載しています。

28ボルトの電子ヒューズ（RCBおよびFRS機能を搭載）

RCBおよびFRS機能とThunderboltまたはUSB Type-CによるPD（給電・充電）機能を必要とするノートパソコンやタブレットコンピュータ、ドッキングステーション、ネットワーク機器の設計者には、OCP、OVP、短絡、ソフトスタート、OTP機能を備えた28V、6Aの電子ヒューズレギュレータLS2406ERQ23を使用することをお勧めします（図7）。この電子ヒューズレギュレータの電源スイッチには24mΩ のオン状態抵抗を搭載しており、通常動作時の消費電力を最小限に抑えます。また、OCP、OVP、およびソフトスタート機能はプログラム可能です。OTPは、デバイス冷却時の自動回復機能を備えています。この電子ヒューズは、イネーブル信号（EN）の論理状態にかかわらず、RCB機能を常時オンにしているのが特長です。FRS機能と入出力一体型放電機能は、USBのPD仕様に適合しています。

LS2406ERQ23は、寸法2.5mm x 3.2mmで薄型の16ピンQFNパッケージに収納されて提供され、UL/CSA 62368-1に準拠したUL認定品です。

図7：USB Type-CによるPD用に逆電流ブロッキングとFRSをサポートする電子ヒューズLS2406ERQ23の典型的応用例（画像提供：Littelfuse）

基板レイアウトのガイドライン

LS1205E、LS0505EVD22、LS0504EVT233シリーズについて、実装を成功させるための、基板レイアウトに関する一般的留意点を示します。

• IN端子とグランド（GND）間、およびOUT端子とGND間に0.1マイクロファラッド（µF）以上のセラミックデカップリングコンデンサを配置する必要があります。ホットプラグ用途の場合のように入力パワーパスインダクタンスが無視できる場合は、このコンデンサは不要です。
• デカップリングコンデンサは、IN、OUT、GND端子のできるだけ近くに配置することで、これらの接続によって形作られるループの面積を最小にする必要があります。
• 高アンペアパワートレース（電力線）は、予想される最大電流の2倍以上の電流を流せるサイズであると同時に、できるだけ短いものに抑える必要があります。
• 電子ヒューズのGND端子は、プリント基板のグランドプレーンに直接接続しなければなりません。プリント基板のグランドプレーンは、アイランド型にするか、または銅製プレーンにする必要があります。

LS1205Eシリーズの場合のみ：R_ILIM、コンデンサSS（CSS）、EN（イネーブル信号）用抵抗などのサポート部品は、対応する接続ピンのできるだけ近くに配置し、その際、部品の反対側をGNDに接続するためのトレース長は最短にしてください。また、トレースは、プリント回路基板上でスイッチング信号に連結しないように配置する必要があります。さらに、R_ILIMおよびCSS部品のトレース長をできるだけ短くすることで、電流制限の値とソフトスタートのタイミングに対する寄生成分の影響を最小限に抑える必要があります。

LS2406ERQ23については、USB Type-Cケーブルの短絡保護やFRS部品に関するレイアウト上の留意点をデータシートでご確認ください。

まとめ

ユーザーとデバイスの両方を保護し、適用される規格を満たすために、設計者にはOVP、OCP、ULVO、OTP、逆電流ブロッキングなどの様々な機能を備えた集積保護電子ヒューズレギュレータを使用することをお勧めします。プログラム可能な保護閾値とリセット機能により、電子ヒューズは柔軟な設計を可能にしています。また、効率を最大化するとともに突入電流を最小化するソフトスタート機能を備えた、オン抵抗が低いスイッチを備えています。一部のモデルでは、USB Type-CのACアダプタで使用・動作可能なことを確認済みのFRSおよびRCB機能を搭載しています。

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