AN09 APEX – AN09 AN09 電流制限 Product Innovation From 電流制限 適切な電流制限のないパワー・オペアンプは危険を伴いま す。つまり、動作するかもしれませんが、いつ不具合が発生 するかわかりません。パワー・オペアンプには、複雑な回路 が使用されてきていますが、多くの場合、簡単でコスト効率 のよい回路が使用されています。しかし依然として安全のた めの技術的課題が残っています。 その目標とするところは、 SOA を侵すことなく負荷に必要な電力を供給することです。 基本的な電流制限 パワー・オペアンプにおける電流制限回路は、出力段の近 辺のみに置かれているため、出力電流を予め決められたレベ ルに、瞬時に（サブ・マイクロ秒で）減少させることができま す。そのような制限を組み込む理由は、次のとおり少なくと も 4 つあります。 5.0 SE CO ND steady state .5 s .7 5m 1.0 C = 85 °C =1 25° C s C 0. T 1m T 1.5 MA L 5°C t= 2.0 ER =2 s C 5m T t= TH 3.0 t= 1. アンプの出力トランジスタには、ほとんどの場合そのアンプ の絶対最大定格を超える電流を供給する能力があります。 この制限を超えると、金属部を破壊する可能性があります。 通常は、電源に接続されているワイヤー・ボンドまたは出力 ピンが溶解します。よくある間違いは、この保護のために 電源の電流制限に頼る方法です。この間違いにご注意くだ さい。フィルタ・コンデンサ（電源内部およびオペアンプ の近く）が、大量のエネルギーを蓄積し、ワイヤー・ボンド を気化させることがよく起こります。 2. 可変インピーダンス負荷の場合は、起こりうる故障状態に 対する保護が必要な場合があります。よい例として、モー ター駆動における機械的な停止状態が挙げられます。 3. 電流制限によって、電源の過負荷を防止できます。別の回 路が同じ電源を共用している場合は、このことが重大な事 態になる可能性があります。 4. パワー・アンプの安全動作領域（SOA）を守ることによっ て接合温度を妥当なレベルに保つことができます。出力電 流は、電力方程式の 1 つの項です。 通常の電流制限であっても、最初の 3 つの理由に対しては 十分です。電流制限に対する簡単でコスト効率のよいアプロー チを図 1 に示します。出力トランジスタ Q1 を流れる電流は、 センス抵抗 Rcl によって電圧に変換されます。この電圧が、 電流制限トランジスタ Q2 の Vbe を超えると前段からの駆動 電流が出力側に迂回させられ、Q1 をシャットダウンします。 Q2 は、アンプとしてだけでなく、制限電流を設定するため の、 不完全ながらも基準電圧として機能します。室温において、 その基準値は約 0.65V です。Rb は、Q2 の容量とともに、 発振を防止するのに十分な程度まで回路の速度を低下させま す。数式で表現すると次のようになります。 Icl = 0.65/Rcl (1) または Rcl = 0.65/Icl (2) ここで、Icl は制限電流で、単位は A、Rcl は電流制限抵抗で、 単位はΩです。 4 番目の理由は、より複雑です。図 2 と 3 に、固定の電 流制限で SOA の制限を満足するための課題を示します。まず、 PA10 の SOA グラフにおける X 軸の表示は出力電圧ではな く、導通しているトランジスタの両端にかかるストレス電圧で あることに注意してください。DC 信号と 25℃のケース温度 を想定して次に進みます。抵抗負荷であることから、ストレス 電圧は供給電圧の片側に限定されること、および出力トランジ スタにおける熱の発生は、出力が電源電圧の 50% になった ときに、最大になることがわかります。SOA グラフは、25V における最大電流が 2.7A であることを示しています。このこ とは、最小負荷が約 9.3 Ωであれば、どのような出力電圧で あっても安全なレベルまで電流が制限されることを意味してい ます。最大電流は 4.75A（44V/9.3 Ω）で、最大の出力電 力は 209W となります。PA10A の電圧スイングの仕様は、 5A 時で Vs-6V であることに注意してください。しかし、そ のアプリケーションが出力における部品やケーブルの短絡に耐 える必要がある場合、ストレス電圧は 50V に跳ね上がり、安 全電流の最大値は 1.05A にすぎない値となります。一度こ の電流制限が設定されると、 44 Ωの負荷に対して 46W（ピー ク）に制限されます。エネルギーを蓄積する負荷に対しては、 約 -50V の初期電圧および正方向へ立ち上がる信号を想定し ています。初期の電源と出力間のストレスは、ほぼ 100V に なり、安全電流の最大値は 0.3A にも満たなくなります。 OUTPUT CURRENT FROM +VS OR – V S (A) 概要 BR EA KD O W N .3 .2 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 80 100 SUPPLY TO OUTPUT DIFFERENTIAL VOLTAGE V S – V O (V) 図2. PA10のSOAグラフ + 50V +VS PA10A Q1 Rb Q2 280 Rcl – 50V VO 図1. 従来の電流制限回路 AN09U www.cirrus.com 図3. 難しい負荷または可能な障害条件 Copyright © Cirrus Logic, Inc. 2011 （All Rights Reserved） 2011年3月 39 APEX − AN09UREVD AN09 移動目標としての電流制限 PA10、PA12 は、フォルドオーバー電流制限を利用できま す。従来の電流制限回路（図 4） に抵抗を 1 つ追加するだけで、 出力スイングに対して強力な応答特性を得ることができます。 一般的に Rcl が Rb に対して 3 桁低い値であることがわかる と、Rcl を無視して、Rb と Rfo で接地と出力電圧の間の電 圧分圧器を構成していると考えるのが合理的です。Rb に比 べて一般的に 2 桁大きい値の Rfo があるため、この分圧器 は出力電圧の非常に小さな一部を Q2 のベースに直列に追加 します。出力が 0V の場合、電流制限は従来の回路と同じで す。しかし、出力が正側に立ち上がるにつれて、分圧器の電 圧による増加分が基準電圧（Q2 の Vbe）を効果的に増加さ せ、より大きな電流が流れることができるようになります。負 側の出力電圧（Q1 は依然として導通状態）に対しては、追 加された負側の出力のごくわずかな部分によって電流の流れ が減少します。別の見方をすると、これは、出力電圧に基づ いて電流制限の式に項を加えたにもかかわらず、導通してい るトランジスタの電圧ストレスに反比例する方法で電流制限を 変更する、という状況です。これは、ワット数を算出する乗算 器といった理想からは依然としてかけ離れています。これは可 変電源の場合は何もしませんが、電流制限の機能に対しては 望ましい勾配を与えています。数式で表現すると次のように なります。 電流制限回路における最大の変数は、不完全基準電圧、 つまり Q2 の Vbe の温度係数です。これは、ケース温度の 上昇に対して 1℃当たり約 2.2mV 低下します。したがって、 0.65 という数字は、-55℃における 0.826 から 125℃に おける 0.43 まで幅を持っています。この勾配と最初に述べ た電流制限の理由を比較してみると、次のとおりです。 1. この理由は温度によって変化しない。 2. この理由は負荷によって変化する。 3. この理由は電源によって変化する。 4. この理由は温度によって変化しない。 SOA グラフ上に限界点をプロットし、システムにおける 他の要件と比較するのが最適です。詳細は、www.Cirrus. com 内の Apex Precision Power の Web サイトをご覧く ださい。また、この作業を自動化するソフトウェアについては、 Apex Precision Power のアプリケーション・エンジニアリ ングに問い合わせてください。 再度図 1 を見てみると、実際の電流制限が前述の式と異 なるいくつかの原因がわかります。電流制限の状態に入ると、 Q2 は駆動段の電流を Q1 から切り離し、出力に直接流します。 このことは、実際の電流制限をドライブ段の能力より小さくす ることができないことを意味しています。現実的な電流制限 の最小値を示しているデータ・シートもあります。ドライブ段 の電流は出力能力よりはるかに小さいため、この領域での動 作は異常です。つまり、この領域で動作するということは、ア ンプの能力がそのアプリケーションに対して、おそらく過剰で あることを意味しています。 ここで、Q2 が導通しているとき、Rb を通って流れるベー ス電流があり、これが効果的に基準電圧を上昇させる、とい うことを検討します。あるアンプでは、この効果は十分大きく、 この場合、 アンプのデータシートには、前述の式で使った 0.65 よりも大きい独自な値が記載されています。 図 1 を見てもすぐにわかるわけではありませんが、内部ワ イヤー・ボンドおよび半田接合部、配線パターン、Rcl のリー ド部のすべての抵抗は、これら 4 つの配線の電流検出を実 行するための端子がアンプに備えられていない限り、Rcl の 定格値を増大させます。大電流アプリケーションでは、試作 回路での測定が、設計を完成させるための最適な方法である と言えます。 ここまでで、負荷や耐える必用のある故障状態に関して、 きわめて広範囲の「安全な」電流というものを理解しました。 また、簡単でコスト効率はよいが、これらの制限回路は基準 としての標準にはならず、+/-20% の範囲でものを考える必 要がある、ということもわかりました。残念な部分は、通常の 電流制限は、ワースト・ケースの故障状態に対して保護するよ うに機能しますが、故障でない状態に対しても電流を制限して しまうところです。非現実的なヒートシンクを想定したことと、 安全電流は依然としてアンプの絶対最大定格に比べれば、わ ずかであることを理解することは重要です。このことは、ヒー トシンクと電流制限の両方の重要性を示しています。SOA 保 護についての理想的な解決策としては、ワット数に応じた制限 となるように、各出力トランジスタへストレス電圧センサーと 乗算器を追加する方法もあります。回路のすべてが十分高速 であれば、これ以上の SOA に関する心配は不要になります。 部品、設計時間およびスペースの観点で見積もったコストは、 より大きなアンプを使用した場合に比べて、ほとんどの場合で 高くなるため、このアプローチはきわめて稀です。明らかに、 電流制限の手法に関するコスト効率のよい改善策が必要とさ れています。 ( 0.65 + VO • ICL = Rb RFO + RB ) Rb RFO + RB ) (3) RCL 0.65 + VO • RCL = ( (4) ICL ここで、Vo は出力電圧で、単位は V、抵抗は図 4 で示さ れており、単位はΩです。 +VS Q1 Rb Q2 280 R CL R FO VO 図4. 基本的なフォルドオーバー電流制限回路 出力の短絡に耐える必要のある抵抗負荷駆動の場合を 再 び 考 察しな がら、22 Ωをピ ークで 88W（44Wrms、 44Vpk、2Apk）まで駆動することを目的とすると仮定しま す。Rb を 280 Ω、Rfo を 20K Ωとし、ピーク電圧時のピー ク電流に対して、式 4 を使用して Rcl = 0.629Ω を算出し ます。0.62 Ωの抵抗を使用します。ここで、式 1 は、短絡 故障の状態における電流が 1.05A に制限されることを示して います。図 5 に示すように、 SOA グラフ上に電流制限をプロッ トすることによって、この電流制限が、ゼロから電源電圧まで のどのような電圧に対しても安全であることが明らかになりま す。通常の電流制限の代わりにフォルドオーバーを使用するこ とによって電力供給能力がほぼ 2 倍になっています。 フォルドオーバー電流制限の基本 Apex Precision Power のモデル PA04、PA05、 40 AN09U AN09 エネルギーを蓄積する負荷の場合は、このフォルドオーバー 回路の電流制限はゼロを横切り、25℃を超える全温度にお いてアンプのスイング能力の範囲で負側にも極性を変えるこ とを、式 3 が示しています。これは、アンプのラッチアップ の原因になることがあるので、避ける必要があります。低い 電源電圧または大きなフォルドオーバー抵抗を使用すればこ の問題を解決することができます。 電流制限が接地への短絡および最大 100V のストレス・レ ベルに対して安全であることはわかっていますが、25℃以下 における許容電流が、 これら 2 点間で SOA 直線の上を横切っ ていることを、図 5 は示しています。Rcl を増加させること によって、すべての出力電圧における電流制限を下げ、この 問題を解決することができます。 CURRENT LIMIT, A 10.000 PA04/05 11 7 Rcl Vo Rb Rfo 図6. PA04またはPA05用のフォルドオーバー回路 結論 SOA 動物に生存本能があるようにパワー・オペアンプには電流 制限があり、備えておくべき優れた機能です。基本的な電流 制限は簡単なものですが、温度変化やフォルドオーバーのよ うな回路オプションが加わると、危険な可能性がある箇所を すべてチェックする作業が非常に煩雑になります。まずは計算 を行い、次に、誰でも理解しやすい対数目盛の SOA グラフ にデータをプロットします。 – 55°C 1.000 125°C 85°C 0.100 10 25°C 15.8 25.1 63.1 100 SUPPLY TO OUTPUT DIFFERENTIAL VOLTAGE, V 39.8 – V O (V) S 図5. フォルドオーバー電流制限対出力電圧 2種類のフォルドオーバー PA10 および PA12 には、正側と負側の電流制限トラン ジスタの両方に対し、280 Ωの Rb と 20K Ωの Rfo を内蔵 しています。2 つの 20K Ω抵抗はピン 7 でお互いに接続さ れており、そのピンを接地することで最大のフォルドオーバー 勾配を得ることもできれば、追加の抵抗をピン 7 から接地に 対して直列に挿入し、より小さなフォルドオーバー効果を得る こともできます。280 Ωの抵抗は、元々両方とも Vo に接続 されており、0.28K と 20K の 2 つの直列ネットワークは本 質的に並列なので、PA10 および PA12 に特有の式は、前 述の例に比べ、より複雑になります。 0.65 + VO • ICL = ( 10.14 10.14 + RFO )( .28 20.28 ) )( .28 20.28 ) • (5) RCL 0.65 + VO • RCL = ( 10.14 10.14 + RFO • (6) ICL ここで、Icl の単位は A、Vo の単位は V、Rcl の単位は Ω で、 Rfo は PA10 および PA12 の外部フォルドオーバー抵抗で、 単位は K Ωです。 PA04 または PA05 用のフォルドオーバー接続を図 6 に 示します。Rb には 270 Ωを使用し、式 3 および 4 を使用し ます。ピン 10 における直接の短絡は瞬間的であってもアン プを即座に損傷させる可能性があること、およびピン 10 は 270 Ωで出力から絶縁されていることに注意してください。 AN09U 41