過電圧保護(OVP)とは?『ICの機能』や『回路』を解説!

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この記事では『過電圧保護(OVP)』について

  • 過電圧保護(OVP)とは
  • 過電圧保護機能を搭載している電源IC
  • 過電圧保護回路

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

過電圧保護(OVP)とは

過電圧保護(OVP)とは

過電圧保護とは、「外部からのサージ電圧(雷や静電気など)」や「デバイスの異常」などで入力または出力が過電圧状態になった時に、過電圧を抑制し、デバイスを保護する機能です。

過電圧を抑制することで、抵抗、コンデンサ、IC、トランジスタ等の電子部品の特性劣化や破壊などを防止することができます

過電圧保護は英語では「Over Voltage Protection」と書きます。英語の頭文字をとり「OVP」と呼ばれることもあります。

電源ICには過電圧保護機能が内臓されているものがあります。また、ダイオード等の部品を組み合わせても過電圧から保護する回路(過電圧保護回路)を作ることもできます。

ではこれから、

  • 電源ICの過電圧保護機能
  • 過電圧保護回路

について説明します。

電源ICの過電圧保護機能

電源ICの過電圧保護機能

電源ICには過電圧保護機能を内蔵しているものがあります。

例えば、上図に示している電源ICは、出力電圧\(V_{OUT}\)の過電圧をOVP端子で監視しています。出力電圧\(V_{OUT}\)が増加すると、OVP端子にかかる電圧が増加し、OVP端子にかかる電圧がある閾値を超えると、出力が停止します(MOSFETがOFFします)。

なお、FB端子は出力電圧\(V_{OUT}\)が一定電圧になるように制御する端子です。「FB端子に接続されている抵抗」や「電源IC」に異常が生じると、出力電圧\(V_{OUT}\)が過電圧になる可能性があります。

過電圧保護回路(ツェナーダイオードを使用したクランプ回路)

過電圧保護回路(ツェナーダイオードを使用したクランプ回路)

上図に示しているのは、抵抗\(R\)とツェナーダイオード\(D_Z\)のみで構成されている過電圧保護回路です。

入力部に過電圧が発生し、ツェナーダイオードに印加される逆電圧(カソードにプラス、アノードにマイナスを印加した時の電圧)がツェナー電圧\(V_Z\)を超えると、ツェナーダイオードにツェナー電流\(I_Z\)が流れ、抵抗\(R\)で電圧降下が発生します。

その結果、入力部に過電圧が印加されても、保護したい回路や部品に印加される電圧をツェナーダイオード\(D_Z\)のツェナー電圧\(V_Z\)でクランプすることができます。

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過電圧保護回路(ダイオードを使用したクランプ回路)

過電圧保護回路(ダイオードを使用したクランプ回路)

上図に示しているのは、抵抗\(R\)と2つのダイオード\(D_1,D_2\)で構成されている過電圧保護回路です。

入力部にプラスの過電圧が発生し、入力電圧\(V_{IN}\)が「電源電圧\(V_{CC}\)+ダイオード\(D_1\)の順方向電圧降下\(V_{F1}\)」を超えると、ダイオード\(D_1\)が導通し、抵抗\(R\)で電圧降下が発生します。

その結果、入力部にプラスの過電圧が印加されても、保護したい回路や部品に印加される電圧を「\(V_{CC}+V_{F1}\)」でクランプすることができます。

入力部にマイナスの過電圧が発生し、入力電圧\(V_{IN}\)が「\(-V_{F2}\)」を超えると、ダイオード\(D_2\)が導通し、抵抗\(R\)で電圧降下が発生します。

その結果、入力部にマイナスの過電圧が印加されても、保護したい回路や部品に印加される電圧を「\(-V_{F2}\)」でクランプすることができます。

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過電圧保護回路(バリスタを使用したクランプ回路)

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上図に示しているのは、抵抗\(R\)とバリスタで構成されている過電圧保護回路です。

バリスタとは、印加する電圧によって抵抗値が変化する素子です。バリスタにかかる電圧が小さい時は抵抗値が高く、バリスタにかかる電圧がある電圧(バリスタ電圧\(V_B\)と呼ばれている)を超えると、急激に抵抗値が低くなります。

入力部に過電圧が発生し、バリスタに印加される電圧がバリスタ電圧\(V_B\)を超えると、バリスタが低抵抗状態となり、バリスタに電流\(I\)が流れ、抵抗\(R\)で電圧降下が発生します。

その結果、入力部に過電圧が印加されても、保護したい回路や部品に印加される電圧をバリスタのバリスタ電圧\(V_B\)でクランプすることができます。

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過電圧保護回路(バリスタとアレスタを使用した回路)

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商用電源の過電圧には、バリスタとアレスタを用いて保護します。

過電圧は「線間」と「対地間」の両方で発生します。

線間」の過電圧はバリスタで抑え、「対地間」の過電圧はバリスタとアレスタを直列接続したもので抑えることが多いです。

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過電圧保護回路(フォトカプラを用いて2次側の過電圧を1次側に伝達する)

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フォトカプラとツェナーダイオードを用いることで、2次側の過電圧を1次側の制御ICに伝達し、過電圧を抑制することができます。

上図に示した回路の場合、2次側の出力電圧\(V_{OUT}\)が過電圧になると、ツェナーダイオードが導通し、フォトカプラの発光素子(LED)に電流が流れ、受光素子(フォトトランジスタ)がオンします。

受光素子(フォトトランジスタ)のオンにより、制御ICのラッチ端子(LAT)の電圧が変化するようにすれば、2次側の出力電圧\(V_{OUT}\)が過電圧になった場合に出力を停止させることができます(MOSFETをOFFさせることができます)。

過電圧保護回路(SCRクローバー方式)

過電圧保護回路(SCRクローバー方式)

ヒューズ\(F\)、ツェナーダイオード\(D_Z\)、抵抗\(R\)、コンデンサ\(C\)、サイリスタ\(SCR\)で構成されている過電圧保護回路です。この過電圧保護回路はSCRクローバー方式と呼ばれています。

入力部に過電圧が発生し、ツェナーダイオード\(D_Z\)のツェナー電圧\(V_Z\)を超えると、ツェナーダイオード\(D_Z\)が導通し、サイリスタ\(SCR\)のゲート(G)に電流(ゲート電流)が流れます。その結果、サイリスタ\(SCR\)がオンして、短絡電流が流れることで、ヒューズ\(F\)が溶断します。

このようにSCRクローバー方式では、過電圧時にサイリスタ\(SCR\)で出力部を短絡させて、ヒューズ\(F\)を溶断することで、保護したい回路や部品に印加される過電圧を防止しています。

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過電圧保護時の動作

過電圧保護時の動作には自動復帰型ラッチ型(シャットダウン型)クランプ型があります。各動作の特徴を以下に示します。

過電圧保護の動作

  • 自動復帰型
  • 過電圧状態が解除されると、出力電圧\(V_{OUT}\)が自動的に復帰するタイプ

  • ラッチ型(シャットダウン型)
  • 過電圧状態が解除されても、出力電圧\(V_{OUT}\)が復帰しないタイプ

  • ラッチ型(シャットダウン型)
  • 過電圧状態が生じた時に、出力電圧\(V_{OUT}\)をある一定値にクランプするタイプ

まとめ

この記事では『過電圧保護(OVP)』について、以下の内容を説明しました。

  • 過電圧保護(OVP)とは
  • 過電圧保護機能を搭載している電源IC
  • 過電圧保護回路

お読み頂きありがとうございました。

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