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（2/3 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]

設定された許容値を超えると……

　一方、I_LOADが、設定された許容値を超えて過剰に流れると、電流検出抵抗R₆での電圧降下（すなわちトランジスタQ₂のV_BE）が増大し、Q₂はオンになる。その結果、V_Bの電圧が電源電圧V_S側に引かれて上昇し、D₂の出力トランジスタがオンになる。それにより、D₂のカソード端子電圧が約2Vに低下する。

　それに伴い、D₂の出力トランジスタが抵抗R₇とR₈を経由する電流I_Kを引き込み、その電流によってトランジスタQ₃のベース電流が流れてQ₃がオンする。これにより、出力MOSFETであるQ₄のゲート電圧V_BがQ₃を介して電源電圧と等しくなる。その結果、Q₄がオフする。同時に、Q₃とダイオードD₁を経由して抵抗R₄に電流が流れ、その結果、V_Aが電源電圧V_SからD₁による電圧降下分だけ低い値になる。

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）

　ここで、R₆を流れる電流はゼロになり、Q₂はベース‐エミッタ間電圧V_BEが0Vとなってオフするが、V_Aの値は十分に高い電圧でD₂をオンに保持する。抵抗R₆を適正な値にすることで、最大負荷電流におけるQ₂のベース‐エミッタ間電圧V_BEを0.5V以下にできる。

過電圧保護動作

　続いて、過電圧保護動作について説明する。この回路は、上記の過電流保護に加え、電源電圧が異常に高くなったときにもブレーカーとして機能する。負荷電流が正常な範囲にあるとQ₂はオフし、電圧V_Aは電源電圧を抵抗R₃、R₄によって分圧された値になる。電源電圧が異常に高くなったときには、電圧V_A（D₂のレファレンス端子電圧）がD₂内蔵の基準電圧V_REFよりも高くなるため、D₂の出力トランジスタがオンになる。これに対応してQ₃がオンになり、次いでQ₄がオフになって負荷は異常な高電圧から遮断される。

　回路はいったんブレーカーとして動作すると、リセットされるまでその状態を保持する（リセットについては後述する）。ブレーカーとして動作した状態では、Q₃がQ₄のゲート‐ソース電圧をほぼ0Vに保持しているので、Q₄自体もゲート‐ソース電圧が過電圧になることなく保護される。

　R₅による電圧降下は十分小さいので無視すると、D₂のレファレンス端子電圧はV_S×R₄／（R₃＋R₄）となる。レファレンス端子電圧が2.5VになったらD₂の出力トランジスタがオンになるのを考慮すると、R₃＝［（V_ST／2.5）−1］×R₄という関係式が得られる。

　この式におけるV_STがブレーカー動作に移行する電源電圧レベル（トリップ電圧）である。例えば、R₄を10kΩとし、トリップ電圧を18Vにしたい場合には、R₃を62kΩにすればよい。このようにして、トリップ電圧が所望の値となるようにR₃とR₄の値を決定することになるが、その際には、両抵抗を流れる電流が過剰にならないよう十分大きい値にする必要がある。その一方で、これらの抵抗の値はレファレンス端子を流れる電流による誤差が問題にならない程度に小さくしなければならない。