【ロードスイッチの突入電流】『計算』や『問題点』などを図を用いて分かりやすく解説！

この記事ではロードスイッチに流れる突入電流の計算や問題点などを図を用いて詳しく説明しています。

ロードスイッチとは

ロードスイッチとは、負荷(モータ等)に電力を供給するラインに対して、ON/OFFを行うスイッチのことです。

スイッチがONの時に負荷に電力を供給し、スイッチがOFFの時に負荷への電力供給を遮断します。

ロードスイッチの基本的な内容(回路構成や動作)については以下の記事で説明していますので、参考にしてください。

: 【ロードスイッチとは】回路と原理について分かりやすく解説！
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ロードスイッチに流れる突入電流の計算

上図はロードスイッチにPチャネル型MOFFETを用いた時の回路です。

出力電圧V_OUTがゼロに近い時(すなわち、負荷の容量C_OUTに蓄えられている電荷がほぼゼロの時)に、ロードスイッチQ₁をオンすると、負荷の容量を充電するために突入電流が流れます。

この突入電流のピーク値I_PEAKの大きさは入力電圧V_IN、MOSFETのオン抵抗R_DS(ON)、負荷の出力容量にある等価直列抵抗R_ESR、出力電圧V_OUTによって決まります。

突入電流のピーク値I_PEAKは以下のように計算します。

突入電流の計算方法

突入電流が流れる時、負荷の容量C_OUTのインピーダンスはゼロと見なせます。

また、等価直列抵抗R_ESRは負荷抵抗R_OUTよりかなり小さく、負荷抵抗R_OUTを無視すると、突入電流のピーク値I_PEAKは次式で表されます。

\begin{eqnarray}
I_{PEAK}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{R_{DS(ON)}+R_{ESR}}
\end{eqnarray}

なお、負荷抵抗R_OUTを無視しない場合には、次式となります。

\begin{eqnarray}
I_{PEAK}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{R_{DS(ON)}+\displaystyle\frac{R_{ESR}R_{OUT}}{R_{ESR}++R_{OUT}}}
\end{eqnarray}

上式より、入力電圧V_INが高いほど、オン抵抗R_DS(ON)・等価直列抵抗R_ESR・出力電圧V_OUTが小さいほど突入電流I_PEAKが大きくなることが分かります。

ロードスイッチに流れる突入電流の問題点

突入電流が大きい場合には以下の問題が発生する可能性があります。

部品を破壊する可能性がある

突入電流が大きいと、ロードスイッチに用いられているトランジスタの定格電流を超えたり、安全動作領域(SOA)を超えたりする可能性があります。また、負荷側の機器を突入電流で破壊させる可能性もあります。

基板や束線を破壊する可能性がある

基板のパターンや束線も電流定格があります。この電流定格を超える場合、基板や束線が破壊する可能性があります。突入電流の大きさを想定して基板や束線を設計する場合、基板のパターンが太くなったり、束線が太くなったりします。また、耐久性の高いコネクタを使用しなければならなくなり、サイズとコストが増加してしまいます。すなわち、突入電流を小さくすることができれば、小型、低コストで回路を設計することができます。