アプリケーション・ノート： AN- 1122 75V耐圧のハイサイドIPSシリーズ「IPS70xx」 David Jacquinod International Rectifier Corporation 目次 頁 はじめに .............................................................................................. 2 標準的な周辺回路 ............................................................................ 2 接地の結線....................................................................................... 2 診断機能 .............................................................................................. 2 オフ時の負荷の断線検出 ................................................................. 3 オン時の短絡検出 ............................................................................ 3 オン時の過熱検出 ............................................................................ 3 保護機能 .............................................................................................. 3 電流制限と温度サイクル ................................................................. 3 接地の損失保護................................................................................ 4 アクティブ・クランプ ........................................................................ 4 バッテリの逆接続................................................................................ 6 最大電圧定格....................................................................................... 6 推奨動作条件....................................................................................... 6 信頼性高いハイサイド駆動 ................................................................. 6 ©インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン この文献の無断複製・転載を禁じます。 www.irf-japan.com AN - 1122 概要 内部構成 • 診断機能 V cc Rdgp Dg • 保護機能 • アクティブ・クランプと最大誘導性負荷 +Bat +5V • はじめに C o n tro l Rdgs R1 V D ia g • バッテリの逆接続 In O ut G nd R in Load In p u t S ig n a l 標準的な使い方 • 白熱電球 • ソレノイド • バルブ 図1 標準的な周辺回路 はじめに 接地の結線 耐圧75Vで保護機能付きパワーMOSFETのIPS70xxシリー ズは、5ピンのハイサイドIPS（インテリジェント・パワ ー・スイッチ）です。IR社独自の最新製造技術P3 （ピー・ キューブ：power product platform）を使って製造していま す。パワーMOSFET部は縦型構造ですが、制御部は横型構 造 の MOSFET で 構 成 し た 保 護 回 路 を 内 蔵 し て い ま す 。 IPS70xxシリーズは、アクティブ・クランプ付きの高効率 パワーMOSFET、過熱保護機能、過電流に対する電流制限 機能を備えています。 論理回路の接地であるGNDピンは、入力ピンとDGピン の基準となるので、負荷電流がデジタル接地に流入しな いように、制御回路ブロックのデジタル接地に接続して ください（図2）。GNDピンを電源の接地に接続する と、負荷電流によって接地の経路に電位差が生じるた め、入力のしきい電圧が変化してしまいます。 論理レベル入力ピン（IN）、電源の接地に対して絶縁さ れた論理回路の接地ピン（GND）、診断ピン（DG）を備 えています。内蔵のチャージ・ポンプがあり、外付け部品 なしで、ハイサイド構成でMOSFETを駆動できます。この アプリケーション・ノートでは、ハイサイドIPSシリーズ の機能を説明し、車載環境でのこれらデバイスの使い方を 提案します。 + C o n tro l b lo c k Vcc IN DG G nd - IP S O ut G nd lo a d D ig ita l g ro u n d P o w e r g ro u n d 標準的な周辺回路 図1にハイサイドIPSシリーズの標準的な周辺回路図を 示します。2つの抵抗RinとRdgsは、バッテリの逆接続時や バッテリ電圧Vbatに負パルスが現れたときに、コントロー ラを保護するために挿入します。R1 は、負荷の断線を検 出したいときに必要です。 図2 接地の結線 診断機能 診断機能は、IPS の状態をマイコンに通知するときに使 います。IPS は、過電流、温度上昇（過熱）、負荷断 www.irf-japan.com AN - 1122 線などのさまざまな故障に対して自分自身を保護します。 IPS が故障状態を検出すると、診断情報が DG ピンを介し て出力されます。表 1 に真理値表を示します。 表1 診断の真理値表 動作状態 入力 出力 H H 通常 L L 通常 H H 負荷の断線 L H 負荷の断線(1) H 接地との短絡 L（制限） L L 接地との短絡 H 過熱 L（繰り返し） L L 過熱 （１）出力とVCCの間にプルアップ抵抗を接続。 DG ピン H L H H L L L L 電流制限と温度サイクル 出力が接地に短絡すると、デバイスは MOSFET を線形 （リニア）動作領域に駆動して電流を制限します。この 領域では、消費電力が大きくなり、過熱保護機能によっ てデバイスが停止します。図 3 のように、接合部の温度 が 7℃低下すると、デバイスは再起動します。再起動す るときの波形が図 4 です。 Vin Iout limiting Thermal cycling Ilim Tj Tsd+ Tsd- オフ時の負荷の断線検出 オフ状態のときにも負荷の断線検出が必要な場合があ ります。この場合、負荷が断線したら、すぐにマイコン が認識します。IPS はこの状態も検出できますが、外付け のプルアップ抵抗が必要です。 パワーMOSFET がオフのときは、出力の電位と接地 （GND）の電位を比較することにより、負荷の断線状態 を検出します。通常の状態では、負荷が接地（GND）に 接続されていて、電流（出力の漏れ以外）は負荷に流れ ません。ソース電圧はほぼゼロです。負荷が切断された 場合、内蔵比較器で負荷の断線状態を検出できるように、 外付け抵抗が出力をプルアップします。 DG 図3 保護機能のタイミング図 オン時の短絡検出 デバイスがオンのとき、バッテリ電圧と出力電圧の差 （Vbat － Vout）が短絡検出電圧（データシートの Vsc） よりも大きいとき、診断機能は短絡を検出できます。 オン時の過熱検出 入力がハイ・レベルのとき、過熱状態は、熱センサを 使って検出されます。 図4 短絡した回路を再起動したときの波形 チャネル1：入力 保護機能 IPS70xx シリーズは、短絡または過熱時にデバイスの故 障を防止するための保護機能を備えています。故障状態 が解消された後、デバイスは自動的に再起動します。ア クティブ・クランプ時とバッテリの逆接続時には、保護 機能はありません。 www.irf-japan.com チャネル2：負荷電流Iload（縦軸は10A/div） 電流制限機能と過熱防止機能は、保護目的のためにだ け、使わなければなりません。通常モードでは、これら の保護機能はトリガされないようにしてください。そう しないと、デバイスの信頼性に影響します。例えば、負 荷の突入電流は電流制限値よりも小さくしてください。 AN - 1122 Input current into the Microcontroller +Bat Vcc +5V Micro Rdgp Dg Vcc In Out Gnd Vclamp L Rdgs Dg 5V In Gnd Vin Out 0V Rin + 14V - Vout Rem : During active clamp, Vload is negative R Iout Load 図5 接地の損失保護 図6 接地の損失保護 接地が断線すると、デバイスは故障を防止するため、 自動的にオフします。入力ピンとドレイン・ピンとの間、 および診断ピンとドレイン・ピンとの間の 2 つの寄生バ イポーラ・トランジスタがオンして、電流がドレインか らマイコンへ流れます。2 つの抵抗RdgsとRinが、IPSとマ イコンを保護するために電流を制限します。 アクティブ・クランプ アクティブ・クランプ法 MOSFETのVDS を制御する1つの方法は、線形（リニ ア）領域に追い込むことです。負荷電流と独立に、IPS内 部の帰還ループが出力MOSFETのゲート電圧を調整する ことにより、VDSを目標のアクティブ・クランプ電圧に安 定化します。この内蔵回路は、ドレインとゲートとの間 に接続したツェナー・ダイオードと、ゲートと接地の間 の抵抗によって構成されます。アクティブ・クランプ 時、出力MOSFETは線形領域で動作するため、消費電力 はオン抵抗RDSONに依存しないことに注意してください。 アクティブ・クランプ時、電流は負荷によって制御さ れます。従って、このモードのときは保護機能（温度ま たは電流）が動作しません。電流と温度の最悪条件で、 オフ時の消費電力が IPS の安全動作領域（SOA）内にあ ることを必ず確認してください。 アクティブ・クランプの目的 オフに切り替わると、誘導性負荷が端子両端に電圧を 発生させ、その振幅は電流の傾きとインダクタンス値に よって決まります。ハイサイド構成では、インダクタン ス両端の過電圧により、ドレイン-ソース間電圧がバッテ リ電圧よりも高くなります（図 6）。このために、外付 けツェナー・クランプ・ダイオードまたはフリーホイー ル・ダイオードを使わない場合、ボディ・ダイオードが アバランシェ領域に入ってしまいます。 アクティブ・クランプの目的は、MOSFET 両端の電圧 をボディ・ダイオードのブレークダウン電圧以下に制限 して、スイッチング時にデバイスに加わるストレスを軽 減することです。 www.irf-japan.com アクティブ・クランプ回路 T clamp Vin Ids Vcc Vds Vds clamp 図7 AN - 1122 アクティブ・クランプの波形 アクティブ・クランプ使用時のエネルギ アクティブ・クランプはフリーホイール技術よりも高 速な回生を可能にするため、外付けデバイスが不要にな ります。アクティブ・クランプ技術の欠点はエネルギが IPSで消費されることです。このエネルギは、IPSの安全 な動作を保証するような値でなければなりません。消費 エネルギの計算を以下に示します。 IPSで消費されるエ ネルギは、 EIPS VCLAMP 1 = ⋅ L ⋅ I2 ⋅ VCLAMP − VBATT 2 で与えられます。負荷で消費されるエネルギは、 負荷の「寄生抵抗」が、負荷電流を制限していること に注意してください。最大負荷電流は、最悪の電源状態 で計算してください。例えば、100μHの負荷に対して、 グラフは最大Iloadmax ＝ 12Aを示しています。最悪の場合 のVBATTが 18Vの場合、図 8 から誘導性負荷の最小直列抵 抗は 18V／12A ＝ 1.5 Ωでなければなりません。 アクティブ・クランプ時の温度上昇 アクティブ・クランプ時のエネルギ消費により、接合 温度が上昇します。アクティブ・クランプ時の温度上昇 は次式で求められます。 1 ⋅ L ⋅ I2 2 ΔTj ＝ PCL・ZTH（tCLAMP） となります。クランプ電圧VCLAMPは、バッテリ電圧VBATT より大きくなければならないので、IPSは負荷よりも大き いエネルギを消費します。これは、アクティブ・クラン プ時に一部のエネルギがバッテリから得られるためで す。 IPSでのエネルギ消費を小さくするため、VCLAMPをこの 技術のブレークダウン電圧に匹敵するくらいに、できる だけ高くしなければなりません。IPS70xxシリーズのアク ティブ・クランプ電圧は 70V（標準値）です。 IPS が消費するエネルギは、負荷インダクタンスと負荷 電流の 2 乗に比例します。データシートには、図 8 に似 たグラフが記載してあります。このグラフを使うと、IPS で消費できるエネルギ量に基づいて、最大負荷インダク タンスと負荷電流を見積もれます。 ここで、ZTH（tCLAMP）は温度tCLAMPでの熱インピーダンス であり、データシートの熱インピーダンスのグラフから 求められます。 PCL ＝ VCL・LCLave：アクティブ・クランプ時の 電力消費 VCL ＝ 70V：IPS70xxのVCLAMPの標準値 ICLave ＝ ICL ／2：アクティブ・クランプ時の平均電流 ｔCL ＝ ICL ／｜di ／dt｜：アクティブ・クランプの 期間 di ／dt＝（VBATT － VCL）／ L：減磁電流 アクティブ・クランプ時の温度上昇は、IPS の損傷を防 止するように制限して設計してください。 100 10 1 0.001 図8 0.01 0.1 1 10 最大出力電流（A）と誘導性負荷（mH）の関係 www.irf-japan.com AN - 1122 バッテリの逆接続 バッテリの逆接続状態では、他の保護機能が使えない ことに注意してください。電流は、In、Dg、Gnd、Out ピ ンから Vcc ピンへ流れます（図 9）。 GND を流れる電流 GND端子を流れる電流は、この端子に外付け部品を接 続できないため、非常に大きくなる可能性があります。 このため、ショットキ・ダイオードを正のVccラインに接 続します。 最大電圧定格 Current path in reverse battery +Bat Vcc +5V Rdgp Rdgs 最大Vcc電圧 最大VCC電圧は、ICの製造技術で決まるブレークダウン しない最大電圧です。 最大連続Vcc電圧 最大連続VCC電圧は、認定時に使われる電圧です。 Dg In Gnd Out 推奨動作条件 Rin Load 図9 主要な仕様に対して、デバイスが動作する推奨条件が あります。一般に、推奨動作条件は定常状態でのデバイ ス動作の限界値を定めます。絶対最大定格は、過渡現象 などの最悪の状態の限界値を定めます。 バッテリの逆接続状態における電流経路 信頼性の高いハイサイド駆動 出力ピンを流れる電流 バッテリの逆接続時には、電流は負荷を通過して MOSFETのボディ・ダイオードに流れます。IPS内の消費 電力は次のように計算されます。 VBATT PdIPS ＝ Vf × ―――― RLOAD IPS の信頼性規則は、MOSFET のそれと同じです。接 合温度の大きな変動は予測寿命を短くします。熱サイク ル時の接合温度の変動は 7℃です。しかし、デバイスが 長時間切り離された後に再起動させられると、接合温度 の変動は大きくなります。 自動再起動が必要な場合は、コントローラが熱サイク ルの中にデバイスを維持する必要があります。コントロ ーラによる切り離しが必要な場合は、熱サイクルに入る 再起動の回数を制限して、高レベルの信頼性を保証する 必要があります。 ここで、Vf はMOSFETのボディ・ダイオードの順方向電 圧降下（標準 0.7V）。 In と Dg を流れる電流 端子（In と Dg）と直列に接続された抵抗が IPS の電流 を制限します。これらの抵抗値は、標準的には 7.5kΩで す。 www.irf-japan.com ©インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン この文献の無断複製・転載を禁じます。 AN - 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