電子ヒューズを効果的に使用して高感度回路を保護する理由と方法

温度ヒューズは、基本的な回路保護装置として150年以上も使用されてきました。効果的で信頼性が高く、使いやすく、各種の設計目的に対応するために、さまざまな値やバリエーションの温度ヒューズがあります。しかし、非常に高速な電流遮断、自己リセット機能、比較的低い電流値で機能する能力を求める設計者にとっては、避けて通れない欠点があります。そのような設計者にとって、電子ヒューズ（eFuseまたはe-Fuseと表記されることもあります）は優れたソリューションであり、温度ヒューズの代わりになることもありますが、通常は温度ヒューズを補完します。

eFuseは、既知の抵抗を介して電圧を測定し、電圧が設計限界を超えると電界効果トランジスタ（FET）を介して電流をオフにするという、シンプルな電流センシングのコンセプトに基づいています。eFuseは、温度ヒューズにはない特長、柔軟性、機能を提供します。

この記事では、eFuseがどのように機能するのかを説明します。次に、そのような能動回路ヒューズの特長、追加機能、および効果的な使用方法を探ります。また、Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage、STMicroelectronicsのソリューション例を紹介し、それらの効果的な使用方法を説明します。

eFuseのしくみとは？

従来の温度ヒューズの動作原理はシンプルでよく知られており、信頼性が高いものです。ヒュージブルリンクを通過する電流が設計値を超えると、その素子が十分に加熱されて溶融します。これで電流経路が途切れ、電流がゼロになります。ヒューズの定格とタイプ、および過電流の値によって異なりますが、温度ヒューズは数百ミリ秒から数秒で反応し、電流経路を開きます。もちろん、他の能動部品や受動部品と同様に、原理的にはシンプルなこの完全に受動的なデバイスにも、動作方法に多くのバリエーション、細かい区別、微妙な違いが存在します。

これに対して、電子ヒューズはまったく異なる原理で動作します。いくつかの同じ機能を提供するだけでなく、新しい別の機能や特長が追加されています。基本的なeFuseのコンセプトも簡単です。電気機器への電流はFETとセンス抵抗を通過し、そのセンス抵抗にかかる電圧を介して監視されます。あらかじめ設定された値を超えると、制御ロジックはFETをオフにして電流をカットします（図1）。電気供給線や電気機器に直列接続されているFETには、過度の電流抵抗（IR）降下や無駄な電力を発生させないように、非常に低いオン抵抗を持たせる必要があります。

図1：eFuseでは、電源から電気機器への電流がセンス抵抗を通過すると、その抵抗器の電圧により監視され、設定値を超えると制御ロジックがFETをオフにして電気機器への電流を遮断します。（画像提供：Texas Instruments）

eFuseは、古典的な受動的温度ヒューズの、より複雑で能動的なバージョンに過ぎないように思われるかもしれません。それは事実ですが、eFuseには以下のような固有の属性もいくつかあります。

速度：eFuseはマイクロ秒単位の遮断反応時間を備えた速効性のあるデバイスで、一部はナノ秒応答が可能な設計です。これは、比較的感度の高いICや受動部品を搭載した今日の回路にとって重要です。

低電流動作：eFuseは、低電流（100mA以下）で動作するように設計されているだけでなく、さらに低い一桁の電圧でも動作するように設計されています。このようなレベルの場合、温度ヒューズではヒュージブルリンクの溶融を誘導するのに十分な自己発熱電流を供給できないことが多いのです。

リセット可能：具体的なモデルに応じて、eFuseでは起動した後にオフのままにするか（ラッチオフモード）、または電流フォルトが治まった場合に通常の動作を再開するか（自動リトライモード）を選択できます。自動リトライモードの設定は、ボードが電源バスに接続された際に発生する「ハード」フォルトがない、過渡的な突入電流の状況で特に有用です。また、ヒューズの交換が難しい場合やコストがかかる場合にも便利です。

逆電流保護：eFuseは、温度ヒューズでは不可能な逆電流保護も提供できます。システム出力の電圧が入力よりも高い場合、逆電流が発生することがあります。例えば、冗長電源のセットを並列に配置した場合に発生する可能性があります。

過電圧保護：いくつかの回路を追加することで、eFuseはサージや誘導性キックからの過電圧保護も提供できます。設定された過電圧トリップポイントを入力電圧が超えるとFETをオフにし、その過電圧状態が続く間はオフの状態を維持します。

逆極性保護：eFuseは逆極性保護機能も備えており、電源が逆に接続されている場合、電流を素早く遮断します。例としては、誤ってケーブルが接触してしまい、カーバッテリが一瞬だけ逆接続されてしまった場合などが挙げられます。

スルーレートランピング：高度なeFuseの中には、外部制御を介して、または固定コンポーネントを使用して、パス素子FETのオン/オフ遷移を制御することにより、定義されたパワーダウン/パワーアップ電流のスルーレートランピングを提供することができるものもあります。

これらの理由から、eFuseは魅力的な電流フロー制御ソリューションとなっています。場合によっては温度ヒューズの代わりに使用することもありますが、この2つは多くの場合併せて使用されます。そのような配置の場合、eFuseはホットスワップ（ホットプラグ）システム、自動車用途、プログラマブル論理コントローラ（PLC）、およびバッテリ充放電管理など、サブサーキットまたはプリント基板の局所的な高速応答保護に使用され、相補的な温度ヒューズは、ハードで恒久的なシャットオフが必要となる大規模で全体的な故障に対するシステムレベルの保護を提供します。

このようにして、設計者はeFuseのすべての機能と、温度ヒューズの明確であいまいさのない動作の両方の利点を得ることができます。これは、技術的なトレードオフや欠点なしに達成されます。もちろん、どのような設計上の決定でもそうですが、いくつかのトレードオフはあります。この場合は、スペースの増加と部品数（BOM）が少し多くなることです。

eFuseの選択：機能と応用

eFuseを選択する際には、考慮すべき基本的なパラメータがいくつかあります。最上位の考慮事項は、驚くことではありませんが、ヒューズが動作する電流レベルです。これは通常、1A未満から約10Aまでの範囲であり、ヒューズがその端子間で耐えられる最大電圧でもあります。一部のeFuseではこの電流レベルが固定されていますが、その他のeFuseでは外付け抵抗を介してユーザーが設定することができます。その他の選択要素には、応答速度、静止電流、サイズ（フットプリント）、および必要な外部サポートコンポーネントの数とタイプ（ある場合）が含まれます。さらに、設計者は異なるeFuseモデルが提供する追加の特長や機能を考慮する必要もあります。

たとえば、センサI/Oや電源の誤接続が起こりやすいさまざまなサブサーキットを持つPLCは、eFuseが有益となるアプリケーションです。また、ワイヤの接続や基板のホットスワップなどでも電流サージが発生します。Texas InstrumentsのTPS26620などのeFuseは、このような24ボルトのアプリケーションでよく使用されています。図2には、500mAのリミットに設定した状態を示しています。プログラム可能な電流制限、過電圧、不足電圧、逆極性保護機能を備え、最大80mAで4.5ボルトから60ボルトまで動作します。また、このICは突入電流を制御することができ、PLC I/Oモジュールとセンサの電源の両方に対して、逆電流や現場での誤配線状態に対する堅牢な保護を提供します。

図2：Texas InstrumentsのTPS26620 eFuseは、この24ボルトDC PLCアプリケーションにおいて500mAの電流でトリップするように設定されています。（画像提供：Texas Instruments）

図3に示すToshibaのTCKE805（18V、5A eFuse）のタイミング図は、ベンダーがオートリトライモードとラッチモードをどのように実装したかを示しています。オートリトライモード（EN/UVLOパッケージピンで設定）では、過電流保護機能により、故障時の消費電力を抑制してeFuseと電気機器の破損を防止します。

図3：ToshibaのTCKE805（18ボルト、5A eFuse）は、電流の流れを戻しても安全かどうかを評価するために、テストと繰り返しのサイクルシーケンスを使用します。（画像提供：Toshiba）

負荷の異常や短絡により、外付け抵抗（R_LIM）で設定された出力電流が制限電流（I_LIM）値を超えると、出力電流と出力電圧が低下し、ICや電気機器の消費電力を制限します。あらかじめ設定された制限値に出力電流が達し、過電流を検出した場合は、I_LIM以上の電流が流れないように出力電流を固定します。この段階で過電流状態が解消されない場合は、この固定状態が維持され、eFuseの温度が上昇し続けます。

eFuseの温度がサーマルシャットダウン機能の動作温度に達すると、eFuseのMOSFETがオフになり、電流の流れが完全に停止します。オートリトライ動作は、電流を停止させることで電流の流れを回復させようとするもので、これにより温度が低下し、サーマルシャットダウンが解除されます。再び温度が上昇した場合はサイクルが繰り返され、過電流状態が解消されるまで動作が停止します。

一方、ラッチモードでは、ICのイネーブル（EN/UVLO）ピンを介して、eFuseがリセットされるまで出力を固定します（図4）。

図4：ラッチモードでは、オートリトライモードとは異なり、ICのイネーブルピン経由で指示がない限りToshibaのeFuseはリセットされません。（画像提供：Toshiba）

一部のeFuseは、出力側のレール電圧を低下させる関連のIRドロップなど、抵抗器を介した電流センシングに関する問題を克服するように構成することができます。例えば、STMicroelectronicsの3.3ボルトのSTEF033AJRは、DFNパッケージの公称最大電流値が3.6A、FETオン抵抗値が40mΩであり、フリップチップパッケージではそれぞれ2.5A、25mΩです。図5に示す従来の接続の場合、より高い電流値では、オン抵抗を介して供給レールに約15mVのわずかなIRドロップがあるだけでも、重大で心配な場合があります。

図5：STEF033AJR の従来の配線では、限界値を設定する抵抗器（R-lim）が2つの指定された端子間に配置されています。（画像提供：STMicroelectronics）

プラス側の制限接続と出力電圧接続（V_OUT/Source）の間に抵抗を入れることで従来の接続を変更し、IRドロップを補償するケルビン検出方式を採用しています（図6）。

図6：電流センスIRドロップの影響を軽減するために、制限抵抗のマイナス側を電圧出力（V_OUT/Source）に接続しています。（画像提供：STMicroelectronics）

eFuseは半導体であり、一桁の電圧まで動作しますが、そのような低域に限定されないことに注意してください。例えば、Texas InstrumentsのTPS2662xファミリの eFuseは、定格4.5～57ボルトで動作します。

eFuse：製造か購入か？

原理的には、数個のFET、1個の抵抗器、1個のインダクタを使用して、ディスクリート部品から基本的なeFuseを構築することが可能です。初期のeFuseはこのようにして作られ、インダクタは2つの目的で使用されていました。DC出力をフィルタリングすることと、巻線のDC抵抗を使用してセンス抵抗としても動作させることです。

しかし、コンポーネントの特性や実際の運用上の考慮事項を踏まえて、より安定した性能を持つ高性能のeFuseを実現するには、いくつかのディスクリート部品以上のものが必要となります。部品を追加しても、基本的なeFuseの機能しか提供できません（図7）。

図7：ディスクリート部品で構成されて基本的機能を備えたeFuseの場合、内在する制限を予測して克服する必要があります。（画像提供：Texas Instruments）

実際には、能動および受動のディスクリート部品を集約してもすぐに扱いにくくなり、ユニット間の性能差が発生しやすく、初期の許容差、部品の経年劣化、および温度によるドリフトに関連した問題があります。要するに、DIYで「作る」ディスクリートソリューションには、以下のような多くの制限があります。

• ディスクリート回路では、一般的にパス素子としてPチャンネルMOSFETを使用しますが、同じオン抵抗値（R_DS（ON））を得るには、NチャンネルMOSFETよりも高価になります。
• ディスクリートソリューションには、基板温度の上昇に応じたダイオード全体の消費電力が含まれるため、非効率的です。
• ディスクリート回路では、パス素子FETに十分な熱保護を含めることが困難です。その結果、その重要な機能強化を省くか、適切な安全動作領域（SOA）を提供するために設計を大幅に大きくしなければなりません。
• 包括的なディスクリート回路は、多くの部品とかなりの基板スペースを必要とし、保護回路の堅牢性と信頼性が必要になるため追加の部品を要します。
• ディスクリート設計では、抵抗器やコンデンサ（RC）部品を使用して出力電圧のスルーレートを調節することができますが、これらの部品はパスFETのゲート特性をよく理解した上でサイズを決定する必要があります。

仮にディスクリート部品のソリューションが許容できるとしても、ICソリューションに比べて機能が制限されてしまいます。ICソリューションは、図8のeFuseブロック図に見られるように、前述した多くの追加機能の一部またはすべてを含むことができます。さらに、ICソリューションはより小型で、より一貫性のある完全に特徴付けられた性能を持ち、マルチコンポーネントソリューションでは実現できない実装上の「安心感」を低コストで提供します。TPS26620のデータシートには、様々な動作条件を対象とした数十種類の性能グラフとタイミング図が掲載されていますが、これらはすべてディスクリートの「作る」アプローチでは実現が困難なものです。

図8：フル機能を備えたeFuseの外見上のシンプルさと外観には、その内部の複雑さが見えておらず、ディスクリート部品を使用して再現することは非常に困難です。（画像提供：Texas Instruments）

ディスクリート部品のDIYという方法ではなく、標準的なeFuse ICを購入するもう一つの重要な理由は、規制当局の承認です。多くのヒューズ（温度ヒューズおよびeFuse）は、過大な電流が部品の過熱や火災の原因となったり、ユーザーに危害を及ぼしたりする可能性がある状況を防止するために、安全関連の機能に使用されています。

従来のすべての温度ヒューズは、適切に使用された場合にフェイルセーフな電流遮断を提供できることが、さまざまな規制機関や規格によって承認されています。しかし、ディスクリートソリューションで同じ承認を得ることは非常に困難で時間がかかり、不可能な可能性もあります。

これに対して、eFuse ICの多くはすでに承認されています。例えば、TPS2662xシリーズのeFuseは、UL 2367レコグナイズド認証（「特殊用途ソリッドステート過電流保護装置」）およびIEC 62368-1認証（オーディオ・ビデオ、情報および通信技術機器 - 第1部：安全性要求事項）を取得しています。また、IEC 61000-4-5（「電磁両立性（EMC）- 第4～5部：試験および測定技術 - サージイミュニティ試験」）にも適合しています。このような認証を受けるために、基本的な役割に加えて、最小および最大の動作温度、最小および最大の保管温度および輸送温度、広範な異常試験および耐久試験、および熱サイクルを含む条件で、これらのeFuseの性能を試験しています。

結論

電流の流れを遮断するためにヒュージブルリンクではなくアクティブ回路を使用するeFuseは、高速カットオフ、自己リセット、および低電流条件での信頼性の高い動作といった要件を満たせるよう設計者を支援します。また、様々な保護機能だけでなく、調節可能なスルーレートも備えています。このように、これらはエンジニアの回路およびシステム保護コンポーネントのキットに追加する価値のある製品です。

上述のように、eFuseは従来の温度ヒューズの代わりになりますが、多くの場合、局所的な保護を提供し、温度ヒューズによって補完されます。従来の温度ヒューズと同様に、多くのeFuseは安全関連機能も認証されており、その汎用性と適用性を拡大しています。

参考情報

1. 『IEC 62368-1への移行の準備：ICTおよびAV機器向けの新しい製品安全規格』
2. 『新しいIEC/UL IEC 62368消費者製品の安全要求事項を満たすには適切な電源が重要』
3. 『ヒューズのチュートリアル』
4. 『（ヒューズではなく）スマート電流センシングおよびモニタリング技術を選択して適用する方法』