突入電流の検討方法：Q＆Aで学ぶマイコン講座（72）（2/3 ページ）

[STマイクロエレクトロニクス，EDN Japan]

突入電流とは

　電源を投入すると、瞬間的に大きな電流が流れます。これを突入電流または起動電流、始動電流、英語でインラッシュカレント（Inrush current）と呼びます。

　マイコンを使った回路の突入電流は、デカップリングコンデンサーなどの外付けコンデンサーに大きく影響を受けます。

　マイコン自体に起因する突入電流も存在しますが、さほど大きくありません。さらに、マイコン自体の突入電流は、ユーザー側で制御することができません。従って、突入電流を抑えるには、デカップリングコンデンサーなどの調整や、インダクタンス（コイル成分）挿入といった外付け回路の対策が必要です。

等価回路

　「Q＆Aで学ぶマイコン講座（31）マイコン周辺回路設計テクニック――電源編」で示した回路から電気素子のみ書き出した回路（図3（a））を作り、そこから回路シミュレーションを行う等価回路（図3（b）、（c））を作ります。

図3：等価回路の検討［クリックで拡大］

　回路シミュレーターを持っていない場合は、Webサイトから無償でダウンロードできるものもいくつかあります。説明書も一緒にダウンロードされますが、ユーザーのブログなどで特徴や使い方が詳しく解説されています。無償版でも、今回の突入電流シミュレーションのような簡単な回路構成であれば十分使えます。

　では、等価回路を作る手順を見てみましょう。

　回路を構成する要素は、電源、配線、シャント抵抗、デカップリングコンデンサー（100nF×5+10μF）、そしてマイコンです。この回路で、電気的特性に影響を与える要素は次のようになります。

1. 電圧源
2. 電源の出力インピーダンスの抵抗成分
3. 配線の持つ抵抗成分（シャント抵抗を含む）
4. 配線の持つインダクタンス（コイル成分）
5. デカップリングコンデンサー（100nF×5+10μF）
6. 配線の持つ寄生容量（コンデンサー成分）
7. マイコン

　マイコン自体の持つコンデンサー成分は、突入電流に大きな影響を与えないので、7については無視します。また、「6．配線の持つ寄生容量（コンデンサー成分）」は、デカップリングコンデンサーに比べると非常に小さい値なので、これも無視します。「3．配線の持つ抵抗成分」もシャント抵抗に比べると非常に小さいので、ここではシャント抵抗だけを考慮します。

　従って、1〜5の要素を使って等価回路を構成すると図3（b）になります。

　次に、各電気素子の具体的な値を計算します。

1. 電圧源：3.0V
2. 電源の出力インピーダンスの抵抗成分：実測値は約1.6Ω^＊1）
3. 配線の持つ抵抗成分（シャント抵抗を含む）：シャント抵抗は0.6Ω
4. 配線の持つインダクタンス（コイル成分）：実際の配線長は約10cmで、太さは0.5mmくらいなので、8（nH／1cm）×10（cm）で80nHとします。^＊2）
5. デカップリングコンデンサー：100nF×5＋10μF＝10.5uF

　これらを図3（b）の各電気素子に当てはめると図3（c）で示すシミュレーション回路になります。

＊1）電源の出力インピーダンスの抵抗成分が分からない場合は、実測することをおすすめします。電源に比較的大きな電流を流して、発生する電圧降下（抵抗値×電流値）から計算できます。
　起電力がE（V）で、出力インピーダンスの抵抗成分がr（Ω）の電源の場合、まず無負荷状態で電圧を測ります。それがE（V）になります。次に抵抗R1を接続して電流がI1（A）流れたとします。また、抵抗R2を接続してI2（A）流れたとすると、r＝（R2×I2−R1×I1）/（I1−I2）でrを求めることができます。r＝（E−R1×I1）/I1でも求まりますが、2つの抵抗で測った方が高精度です。
　例えば、乾電池を実測した場合、E＝1.5V、R1＝2Ω、I1＝0.625A、R2＝3Ω、I2＝0.441となったので、rは約0.4Ω（0.3967Ω）になります。

＊2）配線の持つインダクタンス（コイル）成分は、実測するのが正確ですが、手間もかかります。そのため、筆者の場合は、太さが0.5mmくらいの配線であれば1cmあたり8（nH）で計算しています。