Articles & Blogs > インテリジェントパワーデバイススイッチを使用して、シンプルなソリューションの限界を克服

インテリジェントパワーデバイススイッチを使用して、シンプルなソリューションの限界を克服

筆者： Bill Schweber氏 2024-06-25

タグ

エンジニアリング

車載用

回路保護

電源管理

電源および回路保護

半導体および開発ツール

「シンプルに保つ」というのは、よく知られた設計ガイドラインであり、優れた工学的手法です。結局のところ、部品を増やせば増やすほど、うまくいかなかったり、予期せぬ問題を引き起こしたりする可能性があります。さらに、部品表（BOM）への明らかな影響もあります。

とはいえ、どんなガイドラインにも正当な例外はたくさんあります。それは、通常でも極端な状況下でも機能し、予見可能で避けられないストレスに耐える、堅固で安全な設計を目指す場合に特に当てはまります。さらに完全性を高めるために、破壊的なイベントを処理するためのシステムマイクロコントローラユニット（MCU）への依存を減らすことができます。その代わりに、使用するソフトウェアを最小限に抑え、またはソフトウェアを使用せずに、より高速で信頼性の高い内蔵ハードウェアに依存することができます。

MOSFETベースのパワースイッチについて考えてみましょう。これは、従来の電気機械式リレーに代わるものとして、自動車やその他のアプリケーションで広く使用されています。エンジン、トランスミッション、照明、ブレーキ、配線、サスペンション制御を供給するパワーレールに、数十個のソリッドステートスイッチでシンプルなオン/オフ制御を提供します。これらの半導体スイッチの寿命は100万サイクルを超え、電気機械式リレーとは異なり、過酷な自動車環境下での接触摩擦、経年劣化、ガス、カーバイドによる接触不良の影響を受けにくいです。

汎用のオン/オフスイッチを作るのは、概念的には簡単です。しかし、これらのMOSFETベースのスイッチは、起動時や通常動作時に高エネルギー回路をスイッチングする際に発生する短絡や過渡現象によって故障する可能性があります。その結果、スイッチはさまざまな保護用エネルギー吸収部品で取り囲まれ、より洗練されたデバイスとなる必要があります。これらの追加コンポーネントは、MOSFETスイッチの外部またはパッケージ内に配置することができ、基本的なインテリジェントパワーデバイス（IPD）スイッチを実現します（図1）。

図1：シンプルなMOSFETはパワースイッチとして機能しますが（左）、避けられない過渡現象や短絡という現実の世界から保護するためのエネルギー吸収部品がありません（右）。（画像提供：ROHM Semiconductor、著者により変更）

話にはまだ先がある

保護には、パワースイッチの周囲に適切な部品を使用する以上の方法があります。ほぼすべての通電レールには、過電流によるパワースイッチまたはその負荷回路の損傷を防ぐための保護が必要です。このような過電流状態は、多くの場合、負荷内の故障の結果起こります。

過電流保護の解決策は簡単でよく知られていると思うかもしれません。その解決策は、基本的な熱作動型ヒューズを電源レールに沿って取り付けるだけというものです。過電流が発生した場合、ヒューズが作動して開回路モードになり、有害な電流の流れを完全に遮断します。

ヒューズソリューションは確かに機能しますが、ある意味では機能しすぎとも言えます。いったんヒューズが溶断すると、システムMCUは負荷モジュールで何が起きているのかを把握できず、それを管理することもできません。

このため、多くの重要回路は電流監視機能も採用しています。これにより、MCUは過電流検出ICが検出したエラー信号を読み取り、状況に応じて、信号をIPDスイッチに送信し、シャットダウンまたはシャットダウン/再起動サイクルの繰り返しを開始することができます。

しかし、その結果、回路の動作が不安定になるなどの不具合が生じる可能性があります。対照的に、ROHM Semiconductor AECQ-100ファミリの高度なIPDスイッチは、MCUを介在させることなく保護機能を提供します。これらの車載認定（AEC-Q100）デバイスは、シングルおよびデュアルチャンネル構成のローサイドまたはハイサイドスイッチとして利用可能です。さまざまな8ピンパッケージがあり、複数の電圧・電流レベルをサポートしています。

たとえば、BD1HD500FVM-CTRは、オン抵抗（R_DS(ON)）が500ミリオーム（mΩ）、電流制限が1.45アンペア（A）の8リードMSOPパッケージのシングルチャンネルハイサイドスイッチです。一方、シングルチャンネルのBV1LB025EFJ-CE2は、R_DS(ON)が45mΩ、電流制限が13AのHSSOP-C16パッケージのローサイドスイッチです。

IPDスイッチのAECQ-100ファミリは、保護動作中に最小電流レベルを供給できるため、エラー信号を発生させながら回路は（可能であれば）動作し続けます。これにより、致命的でない異常が発生した場合、回路動作中に緊急機能を呼び出すことが可能になります。

さらに、この高度なIPDスイッチは、回路の停電を防止します。回路の停電は、経年劣化により機械的負荷が増加し、電流消費レベルが上昇した場合に発生する可能性があります。MCUを介さずに独立した動作を可能にすることで、信頼性を高めながら、この機能に必要な部品数を削減することができます（図2）。

図2：標準的なIPDスイッチを使用する場合、シャットダウンは唯一のオプションです。しかし、ROHMのIPDスイッチは、突入電流に対する保護と、突入保護が完了した後の定常状態動作の両方をサポートしています。（画像提供：ROHM Semiconductor）

ヒューズにはもう1つ考慮すべき点があります。明確に定義された動作マージンを持つ標準的なヒューズは、システムまたはモジュールの電源投入段階において高い突入電流による偶発的な作動を防ぎます（図3、上）。しかし、このクッションや「マスキング」は、望ましいリミット設定を妨げます。

これに対し、ROHMのIPDスイッチは突入電流からデバイスを保護でき、マスキングも不要です（図3、下）。

図3：従来のサーマルヒューズには、突入電流による偶発的な作動を抑制する曖昧領域があるのに対し（上）、ROHMのIPDスイッチには、より高精度なしきい値と制限値があります（下）。（画像提供：ROHM Semiconductor）

その結果、定常状態動作時のわずかな電流異常も高精度に検出できます。同時に、負荷モジュールに異常が発生してもすぐに動作を停止するのではなく、最小限の電流を供給することができるため、システムMCUは、動作中の異常を検出しながら、予防保守のためにそのモジュールへのアクセスを試みることができます。

全体像を見る

さまざまな保護部品や機能で補完されたパワーデバイスを使用することは必要なステップです。しかし、特に過酷な車載環境において、効果的なパワーレール管理を実現するには不十分です。過電流状況では、さらなる保護と柔軟性が必要です。

まとめ

シンプルな設計は価値ある目標ですが、現実世界を考慮すると、多くの場合、高度な機能を少し追加したほうが賢明です。ROHM AECQ-100ファミリのIPDスイッチを使用することで、ヒューズにはない保護機能を実現しながら、少ない部品数でソリッドステートパワーデバイスの信頼性、柔軟性、利点を得ることができます。