過電流／過電圧保護用のブレーカー回路：Design Ideas アナログ機能回路（1/3 ページ）

今回は、少数の低価格な部品で構成されているが、電流／電圧のいずれかが設定条件を超えると的確に電源を遮断し、過電流／過電圧に対するブレーカーとして機能する回路を紹介する。

[Anthony H. Smith（Scitech），EDN Japan]

過電流／過電圧保護用のブレーカー回路

　図1の回路は、過電流／過電圧に対するブレーカーとして機能する。少数の低価格な部品で構成されているが、電流／電圧のいずれかが設定条件を超えると的確に電源を遮断する。負荷回路の故障による過電流や、過渡的な高電圧が発生しやすい自動車分野などの用途に適している。

　回路の心臓部は、D₂のシャント型電圧レギュレーターである。このD₂としては、英Zetex製の「ZR431」を使用した。その内部回路を簡略化したものを図2に示す。3端子のパッケージに、基準電圧源とコンパレーター、出力トランジスタを内蔵しており、その動作は以下のようになる。

図1：過電流／過電圧保護用のブレーカー回路 （クリックで拡大）
電流／電圧の異常の有無を検知している際、回路の消費電流はR3、R4を流れる電流とD2のカソード電流だけでごくわずかである。

　まず、レファレンス端子（Vref端子）への入力電圧が内部の基準電圧V_REF（2.5V）と比較される。例えば、レファレンス端子への入力が0Vの状態では出力トランジスタはオフになり、カソード端子（VZ端子）を流れる電流（以下、カソード電流）は0.1μA以下になる。レファレンス端子への入力がV_REFの値に近くなるとカソード電流はわずかに増加する。さらに、入力が高くなり閾（しきい）値である2.5Vを超えると、出力トランジスタが完全にオンの状態になる。その結果、カソード端子の電圧が約2Vに低下する。このときカソード電流は、50μAから100mAの範囲で流せる。

回路の動作を解説

図2：シャント型電圧レギュレーターの内部回路 （クリックで拡大）
レファレンス端子への入力電圧が内部の基準電圧2.5Vと比較される。

　続いて、図1の回路の動作を説明する。まずは過電流保護動作から見ていく。図1の回路において、電源（V_S）の挙動に異常がなければ、D₂の出力トランジスタはオフの状態にある。そして、pチャンネルMOS FETであるQ₄は、抵抗R₉を介して印加されるゲート電圧によりオンの状態にある。その結果、電源から抵抗R₆を経由して電流I_LOADが負荷に供給される。このR₆は電流検出抵抗として働き、負荷電流I_LOADによるR₆での電圧降下（I_LOAD×R₆）がトランジスタQ₂のベース‐エミッタ間電圧V_BEとなる。

　これにより、I_LOADがモニターされることになる。I_LOADの値が正常であればV_BEは0.6V以下になるので、Q₂はオフする。そのため、抵抗R₃とR₄を接続している点の電圧V_Aには影響しない。D₂のレファレンス端子に流れる電流は0.1μA以下なので、抵抗R₅による電圧降下は無視でき、レファレンス端子電圧は図中のV_Bの電圧とほぼ等しくなる。