参考資料
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Analog Engineer's Circuit

絶縁型の低電圧および過電圧検出回路

Data Converters

Scott Cummins

設計目標
過電圧レベル

低電圧レベルローサイド VDD

ハイサイド VDD

過渡応答時間28.8 V

20.4 V

2.7 V～5.5V

24 V

360 ns設計の説明
この高速な絶縁型の低電圧および過電圧検出回路は、スレッショルドを調整可能なデュアル絶縁型ウィンドウ コンパレー
タ (AMC23C14) を使用して実装されています。この回路は、リモート モジュールの電源電圧が有効な範囲内かどうかをコントローラ側で検出する必要がある、産業用フィールド電源アプリケーション向けに設計されています。
AMC23C14 は、堅牢な強化絶縁性能と、100kV/μs (最小値) の高い CMTI、調整可能なデュアル ウィンドウ コンパレー
タのスレッショルド、広いハイサイド電源電圧範囲 (3V～27V)、拡張産業用温度範囲 (-40℃から +125℃) の性能から選択されました。
Low-side supply (2.7..5.5 V)

R5237 k24 V field supply

R2R34.7 k 4.7 k

R41 k

AMC23C14+–R63.52 k

Z127 VC21 µF

C1100 nF

C61 nF

R14.17 k

VDD1VDD2IN

OUT2

to PLCREF

OUT1to PLC

GND1

GND2

C5100 nF

C3100 nF

C41 µF

低電圧および過電圧検出の回路図

JAJA782 – MARCH 2022

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デザイン ノート
1. 誤差を最小化するため、分圧器 (R5 および R6) とスレッショルド設定抵抗 (R1) には高精度の抵抗を選択します。
2. AMC23C14 はフィールド電源から電力を供給され、ツェナー ダイオードとシャント抵抗によって 30V (絶対最大電源電圧) を超える電圧から保護されています。
3. 目的の動作電圧範囲に基づいて、分圧抵抗とスレッショルド設定抵抗を選択します。
設計手順
1. 電源が最小有効動作電圧の 20.4V (24V - 15%) を超えたとき、固定の内部 300mV スレッショルドをトリップするために必要な電圧分圧比を決定します。Vsupp が必要な動作電圧である 24V のとき、電流が 100μA に設定されるよう、分圧抵抗の合計の抵抗値を決定します。
R

IN = Vsupp R +6R
56R300 mV = 20.4 V R +6R
56Vsupp = 100 μA × R5 + R6
24 V = 100 μA × R5 + R6

方程式系を解くと、R5 = 236kΩ、R6 = 3.52kΩ が得られます。
• アナログ技術者向けカリキュレータを使用すると、最も近い E96 抵抗の値は 237kΩ と 3.48kΩ です。
2. 電源が 28.8V (24V + 20%) を超えたときに調整可能なスレッショルド コンパレータをトリップするよう、スレッショルド設定抵抗の値を決定します。
R

IN = Vsupp R +6R
563.52 kΩ
IN = 28.8 V 237 kΩ
+ 3.52 kΩ

IN = 0.42 V
Vref=IN

Vref
0.42 V= 100
μA = 4.2 kΩ
refR1 = I

3. 推奨動作電源電圧よりも高い電圧から AMC23C14 を保護するため、27V のツェナー ダイオードを選択します。

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設計シミュレーション
以下の図は、低電圧および過電圧検出回路の SPICE シミュレーション波形です。VDD1 入力も含まれています。これは、ツェナー ダイオードが動作範囲外の電圧から VDD1 入力を保護することを示しています。「低電圧および過電圧検出回路の SPICE シミュレーション - 立ち上がり」は、出力トリガ ポイントが入力電圧の立ち上がりにあるときの Spice シミュレーションを示しています。「低電圧および過電圧検出回路の SPICE シミュレーション - 立ち下がり」は、出力トリガ ポイントが入力電圧の立ち下がりにあるときの同様の画像です。2 つの図を比較すると、立ち下がり電圧入力のほうがトリガポイントの値が 0.3V 低くなっています。

低電圧および過電圧検出回路の SPICE シミュレーション - 立ち上がり

低電圧および過電圧検出回路の SPICE シミュレーション - 立ち下がり

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応答の測定結果
以下の図は、低電圧および過電圧検出回路で測定された出力を、Vsupp 電圧 (トレース 1) と比較したものです。
AMC23C14 にはオープン ドレイン出力があり、通常は VDD2 にプルアップされ、入力電圧が各コンパレータのスレッショルド電圧を超えると Low に駆動されます。これらの測定では、Vsupp が 28.8V を超えると OUT1 (トレース 3) は Low に遷移し、Vsupp が 20.8V を超えると OUT2 は Low に遷移します。コンポーネントのばらつきやコンパレータのヒステリシ
スはトリップ スレッショルドに影響を与える可能性がありますが、この場合トリップ ポイントは目標値の 1% 未満です。Vsuppが立ち上がりまたは立ち下がりのとき、電圧スレッショルドはわずかに変化します。2 番目の波形はこれを表しており、OUT1 が 28.8V ではなく 28.6V でトリガされています。

Vsupp が増加するときの波形キャプチャ

Vsupp が減少するときの波形キャプチャ

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以下の図は、低電圧および過電圧検出回路で測定された出力で、AMC23C14 の出力を VIN 電圧 (トレース 2) と比較したものです。これらの測定結果から、コンパレータのトリップ スレッショルドが、「設計手順」セクションのステップ 2 の式で定義されている、内部コンパレータのスレッショルドが 300mV、外部で設定されるスレッショルドが 420mV で設定される目標値と一致することが確認されます。

Vsupp が増加するときの IN の波形

Vsupp が減少するときの IN の波形

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設計に使用しているデバイス
デバイス
AMC23C14

主な特長•

広いハイサイド電源電圧範囲：3V～27V•

ローサイド電源電圧範囲：2.7V～5.5V•

デュアル ウィンドウ コンパレータ•

デバイス：AMC23C14
類似デバイス: 絶縁型アンプ–

ウィンドウ コンパレータ 1：±20mV～±300mV の可変スレッショル–

ドウィンドウ コンパレータ 2：±300mV の固定スレッショルド

正 (非反転) 入力を使用するコンパレータ モードをサポート：–

Cmp0：600mV～2.7V の可変スレッショルド–

Cmp2：300mV の固定スレッショルド–

Cmp1 および Cmp3：無効•

スレッショルド電圧調整のリファレンス：100µA、±2%•

トリップ スレッショルドの誤差：250mV のとき ±1% (最大値)•

伝搬遅延：290 ns (標準値)•「高 CMTI：15 kV/µs (最小値)•

オープン ドレイン出力•

安全関連認証：•

デバイスのリンク

–DIN VDE V 0884-11 に準拠した強化絶縁耐圧：7000VPK–UL1577 に準拠した絶縁耐圧：5000VRMS (1 分間)

拡張産業温度範囲の全体にわたって完全に仕様を規定：-40℃～+125℃

設計の参照資料
テキサス・インスツルメンツの総合的な回路ライブラリについては、『アナログ エンジニア向け回路クックブック』を参照してください。
テキサス・インスツルメンツ、『 AMC23C14 AMC23C14 デュアル、高速応答、強化絶縁型ウィンドウ コンパレータ、可変スレッショルド付き』データシート

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