突入電流–原因、影響、保護回路、および設計手法

電子回路の耐久性と信頼性は、製品が実際に使用されているときに実際に発生する可能性のあるすべての確率を考慮して、電子回路がどれだけうまく設計されているかに大きく依存します。これは、AC-DCコンバーターやSMPS回路などのすべての電源ユニットに特に当てはまります。これは、AC電源に直接接続され、負荷が変化するため、過電圧、電圧スパイク、過負荷などの影響を受けやすいためです。それらの設計における多くのタイプの保護回路、すなわち、私たちはすでに多くの人気のある保護回路をカバーしました

• 過電圧保護
• 過電流保護
• 逆極性保護
• ショット回路保護

以前に突入電流について説明しましたが、この記事では、電源の設計を突入電流から保護するために、突入電流制限回路を設計する方法について説明します。まず、突入電流とは何か、突入電流が発生する理由を理解します。次に、突入電流を保護するために使用できるさまざまなタイプの回路設計について説明し、最後に、突入電流からデバイスを保護するためのヒントをいくつか紹介します。それでは、始めましょう。

突入電流とは何ですか？

名前が示すように、「突入電流」という用語は、初期段階でデバイスの電源を入れると、大量の電流が回路に突入することを示します。定義上、これは、電気機器がオンになったときに引き出される最大瞬間入力電流として定義できます。この動作は、変圧器やモーターなどのAC誘導負荷でよく観察されます。この場合、突入電流値は通常、公称値の20倍または30倍になります。突入電流の値は非常に高いですが、それは数ミリ秒またはマイクロ秒の間だけ発生するため、メーターなしでは気付くことはできません。突入電流は、入力サージ電流またはスイッチオンサージとも呼ばれます。利便性に基づく電流。この現象はAC負荷でより多く発生するため、AC突入電流リミッターはDCの対応物よりも多く使用されます。

すべての回路は、回路の状態に応じてソースから電流を引き出します。アイドル状態、通常の動作状態、最大動作状態の3つの状態を持つ回路を想定します。アイドル状態を考慮すると、回路には1mAの電流が流れ、通常の動作状態では500mAの電流が流れ、最大動作状態では1000mAまたは1Aの電流が流れます。したがって、回路がほとんど正常な状態で動作している場合、500mAが回路の定常電流であるのに対し、1Aは回路によって引き出されるピーク電流であると言えます。

これはかなり真実で、扱いやすく、簡単な計算です。しかし、前に述べたように、回路によって引き出される電流が定常状態の電流よりも20倍または40倍も大きくなる可能性がある別の状態が存在します。これは、回路の初期状態またはパワーオンステージです。さて、なぜこの大電流は、低電流アプリケーション用に定格されているのに、回路によって突然引き出されるのですか？前の例のように、1mAから1000mA。

デバイスの突入電流の原因は何ですか？

インダクターとモーターコイルの磁気に入る必要がある質問に答えるために、それを考えてみましょう。それは、巨大な食器棚を動かしたり、車を引っ張ったりするようなものです。最初は高エネルギーが必要ですが、物事が動き始めると、より簡単に。回路内でもまったく同じことが起こります。ほとんどすべての回路、特に電源は、大きな値のコンデンサとインダクタ、チョーク、およびトランス（巨大なインダクタ）を使用します。これらはすべて、動作に必要な磁場または電界を発生させるために巨大な初期電流を引き込みます。したがって、回路の入力は突然低抵抗（インピーダンス）パスを提供し、大きな値の電流が回路に流れることを可能にします。

コンデンサとインダクタは、完全に充電された状態または放電状態にある場合、動作が異なります。たとえば、完全に放電された状態のコンデンサは低インピーダンスのために短絡として機能しますが、完全に充電されたコンデンサはフィルタコンデンサとして接続されている場合はDCを平滑化します。ただし、それは非常に短い期間です。数ミリ秒でコンデンサが充電されます。コンデンサのESR値とESL値について読んで、回路でコンデンサがどのように機能するかをよりよく理解することもできます。

一方、変圧器、モーター、およびインダクター（すべてのコイル関連のもの）は、起動時に逆起電力を生成し、充電状態中にも非常に高い電流を必要とします。通常、入力電流を定常状態に安定させるために必要な電流サイクルはわずかです。インダクタのDCR値について読んで、インダクタが回路でどのように機能するかをよりよく理解することもできます。

上の画像では、電流と時間のグラフが示されています。時間はミリ秒で表示されますが、マイクロ秒でもかまいません。ただし、起動時に電流が増加し始め、最大ピーク電流は6Aです。非常に短い時間で存在するのは突入電流です。しかし、突入電流の後、電流は0.5Aの値または500mAで安定します。これは回路の定常電流です。

したがって、入力電圧が電源に印加されるか、静電容量またはインダクタンス、あるいはその両方が非常に高い回路に印加されると、突入電流が発生します。突入電流グラフに示されているこの初期電流は非常に高くなり、入力スイッチが溶けたり爆発したりします。

突入電流保護回路–タイプ

突入電流からデバイスを保護する方法はたくさんあり、突入電流から回路を保護するためにさまざまなコンポーネントを利用できます。突入電流を克服するための効果的な方法のリストは次のとおりです-

抵抗制限方式

抵抗制限法を使用して突入電流リミッターを設計 するには、2つの方法があります。1つは、回路ラインに流れる電流を減らすために直列抵抗を追加することであり、もう1つは、AC電源入力でラインフィルターインピーダンスを使用することです。

しかし、この方法は、高出力電流回路に追加する効率的な方法ではありません。抵抗が含まれているので理由は明らかです。突入電流抵抗は通常動作時に加熱し、効率を低下させます。抵抗器のワット数はアプリケーションの要件によって異なり、通常は1Wから4Wの範囲です。

サーミスタまたはNTCベースの電流リミッタ

Tのhermistorは抵抗値が温度に依存して変化する温度に結合された抵抗器です。でNTC突入電流制限回路は、抵抗制限方法と同様である、サーミスタまたはNTC（負の温度係数）は、入力と直列に使用されています。

サーミスタは、さまざまな温度、特に低温で抵抗値が変化するという特性を持っていますが、サーミスタは高い値の抵抗のように動作しますが、高温では低い値の抵抗を提供します。このプロパティは、突入電流制限アプリケーションに使用されます。

回路の最初の起動時に、NTCは高い値の抵抗を提供し、突入電流を減少させます。しかし、回路が定常状態になると、NTCの温度が上昇し始め、その結果、抵抗がさらに低くなります。NTCは、突入電流を制御する非常に効果的な方法です。

ソフトスタートまたは遅延回路

さまざまなタイプの電圧レギュレータDC / DCコンバータは、ソフトスタートまたは遅延回路を使用して突入電流の影響を低減します。このようなタイプの機能により、出力の立ち上がり時間を変更できるため、大きな値の容量性負荷に接続したときに出力電流を効果的に削減できます。

たとえば、TexasInstrumentsの1.5AUltra -LDO TPS742は、プログラム可能なソフトスタートピンを提供し、ユーザーは単純な外部コンデンサを使用してリニアスタートアップを構成できます。以下の回路図に、CSSコンデンサを使用してSSピンを使用してソフトスタート時間を設定できるTPS742の回路例を示します。

突入電流保護回路をどこで、なぜ考慮する必要がありますか？

前述のように、高い値の静電容量またはインダクタンスが存在する回路には、突入電流保護回路が必要です。突入電流回路は、回路の初期始動段階で高電流要件を安定させます。突入電流リミッター回路は入力電流を制限し、ソースとホストデバイスをより安全に保ちます。突入電流が大きいと回路の故障の可能性が高くなり、それを拒否する必要があるためです。突入電流は以下の理由で有害です-

1. 高い突入電流は電源に影響を与えます。
2. 多くの場合、突入電流が大きいと電源電圧が低下し、マイクロコントローラベースの回路の電圧低下がリセットされます。
3. まれに、回路に供給される電流の量が負荷回路の許容最大電圧を超えて、負荷に恒久的な損傷を与えることがあります。
4. 高電圧ACモーターでは、突入電流が大きいと、電源スイッチがトリップしたり、場合によっては焼損したりします。
5. PCBボードのトレースは、特定の値の電流を流すように作られています。高電流は、PCBボードのトレースを弱める可能性があります。

したがって、突入電流の影響を最小限に抑えるには、入力容量が非常に大きいか、インダクタンスが大きい突入電流リミッタ回路を設けることが重要です。

突入電流の測定方法：

突入電流を測定する際の主な課題は、タイムスパンが速いことです。突入電流は、負荷容量に応じて数ミリ秒（またはマイクロ秒）発生します。期間の値は通常、20〜100ミリ秒とは異なります。

最も簡単な方法の1つは、突入電流を測定するオプションがある専用のクランプメーターを使用することです。メーターは大電流によってトリガーされ、最大突入電流を得るために複数のサンプルを取ります。

もう1つの方法は、高周波オシロスコープを使用することですが、このプロセスは少し注意が必要です。非常に小さな値のシャント抵抗を使用する必要があり、シャント抵抗の両端に接続するには2つのチャネルが必要です。これら2つのプローブの異なる機能を使用することにより、最大ピーク電流を得ることができます。GNDプローブを接続するときは注意が必要です。抵抗の両端の接続を間違えると、短絡が発生する可能性があります。GNDは回路GNDの両端に接続する必要があります。下の画像は、上記の手法を表したものです。

突入電流保護回路を設計する際に考慮すべき要素：

突入電流制限方法を選択する前に、いくつかの異なる要因と仕様を考慮する必要があります。ここにいくつかの重要なパラメータのリストがあります–

1.負荷の静電容量値

負荷の静電容量は、突入電流制限回路の仕様を選択するための重要なパラメータです。静電容量が大きいと、起動時に高い過渡電流が必要になります。このような場合、効果的なソフトスタート回路が必要です。

2.定常状態の定格電流

定常電流は、電流リミッタの効率にとって大きな要因です。たとえば、抵抗制限法を使用すると、定常電流が高くなると温度が上昇し、効率が低下する可能性があります。NTCベースの電流制限回路を選択できます。

3.切り替え時間

特定の時間枠内で負荷がオンまたはオフになる速度は、突入電流制限方法を選択するためのもう1つのパラメーターです。たとえば、スイッチのオン/オフ時間が非常に速い場合、NTCは突入電流から回路を保護できませんでした。なぜなら、最初のサイクルのリセット後、非常に短い時間で負荷回路をオフにしてからオンにした場合、NTCは冷却されないからです。したがって、初期始動抵抗を増やすことができず、突入電流はNTCを介してバイパスされます。

4.低電圧および低電流動作

特定のケースでは、回路設計中に、電源と負荷が同じ回路内に存在する場合、突入電流を減らすために、ソフトスタート機能を備えた電圧レギュレータまたはLDOを使用することをお勧めします。このような場合、アプリケーションは低電圧低電流アプリケーションです。