堅牢なデジタル絶縁で高電圧アプリケーションの安全性を向上

電源が供給される電気回路が、他の回路、ハードウェア、インフラ、または人間のユーザーと相互作用する可能性がある場所では、損傷を及ぼす過電圧状態が発生する恐れがあります。一般にガルバニック絶縁として知られる、相互作用の可能性のあるポイントから電流を物理的または電子的に絶縁することは、安全性と回路の継続的な機能にとって不可欠です。追加の利点として、絶縁は出力信号の不要なノイズを低減することがよくあります。

絶縁要件は、ロボット工学、高電圧送電網機器、工場設備、自動車アプリケーション、消費者向け製品で一般的です。可変入力電圧、バッテリ電源の使用、コンパクトなフットプリントの必要性といったアプリケーション固有の要件も、絶縁システム設計時に考慮すべき追加要件となります。

適切な絶縁部品を選択するために、設計者はさまざまなアイソレータアーキテクチャの構成だけでなく、長所と短所も理解する必要があります。これらを把握することで、最も効果的で信頼性が高く、スペース効率の高いアイソレータを電子設計に組み込むことが可能となります。

アイソレータの識別

ガルバニック絶縁はいくつかの方法で実現できますが、いずれも基本原理は共通しています。これは、1次側の高電圧入力は、低電圧、低電流の2次側から何らかの物理的バリアによって分離されるというものです。バリアの詳細や、それを横切って電力や信号、あるいはその両方を伝送する方法は、アイソレータのタイプによって異なります。

オプトカプラは、1次側の信号を電気インパルスから光子に変換するためにLEDを使用します。2次側では、フォトトランジスタ、フォトダイオード、フォト電界効果トランジスタ（FET）などの受光部品が光子を受け取り、電気信号に変換します。オプトカプラは、1次回路と2次回路を物理的に絶縁するとともに、出力信号から不要なノイズを自動的に除去し、グランドループを防止します。

磁気カプラでは、トランスの1次側巻線にかかる電圧が磁界を発生させます。この磁界が2次側の巻線に電圧を誘導し、ガルバニック絶縁を維持しながら電気信号を伝送します。トランスには、1つの鉄心に2つの別々の巻線を持つものと、誘電体によって分離された2つのインダクタ（それぞれが自身の鉄心に1つの巻線を持つ）があります。設計者は、高電圧対応能力、比較的速い応答時間、信号ノイズの除去能力により、磁気カップリングを選択します。しかし、アイソレータのサイズ、発熱の可能性、電磁妨害の発生についても考慮する必要があります。

容量性カプラは、誘電体によって分離された2つの電極を持つ部品であるコンデンサを採用しています。入力電圧により1次側電極に電荷が蓄積します。これにより電界が発生し、2次側の電極に電圧が誘導されます。容量性カプラは、小型サイズ、低消費電力、入力の変化に対する迅速な応答で知られており、絶縁バリアを介した電気信号伝送において便利で効率的なソリューションです。設計者は、許容範囲を超える入力電圧、環境湿度、絶縁破壊から容量性カプラを保護する対策を講じる必要があります。

デジタルアイソレータの導入

上述したアイソレータのタイプはいずれも、集積回路（IC）上のデジタルアイソレータシステムに組み込むことができます。これらのトポロジは、さらにパワーモジュールや信号伝送部品と統合することで、シングルチップ上に完全なデジタル絶縁システムを形成することができます。一般的なデジタルアイソレータシステムのトポロジには、フライバック、ハーフブリッジ、プッシュプルなどがあります。

フライバック電源は磁気絶縁の1形態で、スプリットインダクタと昇降圧コンバータを組み合わせてトランスを作成し、直流（DC）入力の電圧を上昇または降下させて所望の出力に合わせることができます。昇降圧コンバータへのフィードバックは、3次インダクタ巻線またはオプトカプラによって供給されます。フライバック電源は低電力アプリケーションに推奨されますが、設計者は不要なEMIが発生する可能性について認識しておく必要があります。

ハーフブリッジ（Hブリッジ）設計には、Hブリッジ矩形波発生器、2つのインダクタとコンデンサ（LLC）を含む共振回路、および所望のDC出力電圧を供給する2つの整流器が含まれます。整流器はいくつかの設計よりも高い出力電力を実現し、Hブリッジ絶縁設計は中電力アプリケーションに推奨されます。

プッシュプル絶縁電源は、磁気カップリングのために2つのトランスを使用します。2つのスイッチが、どちらのトランスが入力電圧を受けるかを交互に切り替えます。2次側の2つのフルブリッジ整流ダイオードが電圧変化を予測し、対称出力に調整します。

設計者は、プッシュプルセットアップにトランスドライバを追加することもできます。ドライバは発振器、分周器、ロジックコントローラを内蔵し、ブレークビフォアメイク（BBM）パターンでスイッチの開閉を調整します。このパターンにより、比較的一定の出力信号が得られると同時に、両方のスイッチが一度に接続されることによる内部および下流の部品の損傷を防ぐことができます。

また、トランスドライバを備えたシステムでは、整流ダイオードの機能を置き換えたり補強したりする低ドロップアウトリニア電圧レギュレータ（LDO）で出力を制御することもできます。ドロップアウト電圧とは、入力電圧と出力電圧の差の最小値で、この差が最小値を下回ると、回路は出力を適切に調整できません。LDOでは、この差が極めて小さいため、広い入力電圧範囲で信頼性の高い動作が保証されます。

LDOの使用

LDOには、FET、差動アンプ、バンドギャップ電圧リファレンスが含まれます。差動アンプは出力電圧とリファレンス電圧を比較し、その差が大きすぎる場合、アンプの信号がFETをトリガして回路抵抗を調整し、出力電圧を安定に保ちます。

デジタル絶縁アプリケーションにLDOを選択する際には、ドロップアウト電圧の他に、負荷およびラインレギュレーション、電源電圧変動除去比（PSRR）、出力ノイズ、静止電流（I_Q）など、いくつかの仕様を考慮する必要があります。負荷レギュレーションとは、安定した出力電圧を維持しながら入力電流の変動に対応するLDOの能力であり、ラインレギュレーションは入力電圧の変動に関係します。多くの仕様では、整流された交流（AC）入力のリップルを管理するレギュレータの能力を測定するPSRRも記載しています。

設計者はまた、出力ノイズを最小限に抑えたいと考えています。レギュレータの内部回路を動作させるのに必要な電流であるI_Qが低いと、システムが簡素化され、モバイルアプリケーションではバッテリ寿命が保たれます。

バッテリ接続システム用に特別に設計されたLDOの1例として、3PEAKのTPL8031Q-Sがあります（図1）。これらのレギュレータは、3.3Vまたは5Vの固定電圧出力を±2.5%の精度で生成します。最大ドロップアウト電圧は、5V出力バージョンで720mV、3.3V出力バージョンで900mVです。

図1：低ドロップアウトリニア電圧レギュレータ（LDO）は、自動車の電子制御ユニットなどのデジタル絶縁システムに信頼性の高い出力電圧を提供します。（画像提供：3PEAK）

TPL8031Q-Sレギュレータは、3V～42Vの入力電圧と45Vまでの過渡電圧に対応し、最大300mAの電流を出力できます。同時に消費電力も小さく、標準的なI_Qは3μAです。内部電流制限は、電圧レギュレーションを停止させることにより、グランドへの短絡のようなフォールト状態からレギュレータを保護します。さらに、過熱保護機能により、内部温度がサーマルシャットダウン（TSD）閾値に達するとレギュレータを停止させ、レギュレータが十分に冷却されると動作を再開することが可能です。

TPL8031Q-S電圧レギュレータは、信頼性に加え、低消費電力と高電圧対応能力を備えているため、バッテリ電源に依存する多くのスペース制限のある車載アプリケーションに適したLDOソリューションとなっています。これらには、電子制御ユニット（ECU）、ドメインおよびボディ制御モジュール、マイクロコントローラおよびトランシーバ、室内および室外ライト、インフォテイメントシステム、計器クラスタ、および車両バッテリから電力を供給されるか、または車両バッテリに接続されるその他のサブシステムが含まれます。

まとめ

車載アプリケーションは、高感度の電子機器を過電圧から保護し、オペレータや乗客などシステムに接触する人々を危険な電圧から守るために、堅牢なデジタル絶縁を必要とするシステムの例です。これを実現する電源および信号絶縁の組み合わせは数多く存在し、LDOは慎重に設計されたデジタル絶縁システムの重要な部品です。