バッテリーが逆になるのを防ぐ方法は？

バッテリ駆動のシステムである限り、この問題は常に存在します。誤ってバッテリに負荷をかけ、正極と負極を反転させ、逆極性イベントを生成します。システムに一時的な障害が発生したか、恒久的に損傷しています。

システムに適合するように設計されたカスタムバッテリーは、誤った挿入や逆極性の可能性を最小限に抑えるのに役立ちますが、AAA、AA、C、Dセルバッテリー、さらにはCR123、CR2などの実績のある信頼性の高いすぐに使用できるデバイスです。 、およびボタンリチウム電池も故障しやすいです。

これまで、設計者は、バッテリー端子との電気的接触を避けるために機械的構造を使用していました（バッテリーが適切に挿入されていない場合）。しかし、機械的な解決策は完璧にはほど遠いです。バッテリーが適切に挿入されているが、適切に挿入されておらず、接触していない場合に良好な接触を確保するために、スプリング接点は適切に制御された機械部品の公差を必要とするため、通常は特別な機械加工が必要です。これらの狭い公差は、使用する必要のあるばねと接点が曲がったり故障したりする可能性があるため、長期的な安定性の問題を引き起こす可能性があります。通常の使用でも、通常の挿入を繰り返すと、接触疲労を引き起こし、時間の経過とともに信頼性が制限される可能性があります。

しかし、これらの制限にもかかわらず、機械的ソリューションは、設計者が誤ったバッテリーの取り付けを防ぐために使用できる唯一の実用的なソリューションであるため、常に存在していました。逆相電池によって引き起こされる逆極性イベントを防ぐように設計された電気ソリューションは、物議を醸しています。

通常の動作中の電圧降下のため、通常、直列ダイオードを使用することはできません。また、逆極性のイベントによってバッテリーが長時間危険な状態で放電し、ダイオードが過熱する可能性があるため、ダイオードの接地設定を使用することはお勧めできません。

ディスクリートMOSFETは複雑な構造を必要とし、逆極性を防ぐために最適化または特別に設計されていない場合があります。逆極性イベント中の性能を評価するための重要な仕様が失われる可能性があり、これにより設計者はデータシートの性能特性から推定値を導き出し、安全な作業期間を推測する必要があり、心配です。さらに、MOSFETの適用方法によっては、コントローラーまたはその他のコストのかかる機能が必要になる場合があります。

多機能ICには、逆極性を防止する回路が装備されている場合があります。これは、正バイアス環境で動作してから逆極性モードで動作するかどうかに関係なく、通常、回路が大幅に複雑になります。したがって、多機能ICは、莫大なパフォーマンスやコストコストをもたらします。一般的な実装では、コストパフォーマンスのトレードオフのため、逆バイアス機能が比較的制限されています（-2Vまたは-6V）。

専用の逆極性保護装置は、バッテリーの誤った挿入を防ぐ効果的な方法です

しかし、最近、専用の逆極性保護デバイスの出現により、設計者はより実行可能な電気的オプションを利用できるようになりました。フェアチャイルドが提供するような専用デバイスは、逆極性を防ぐための最も費用効果が高く、パフォーマンスのない方法の1つであり、バッテリー駆動システムに最適です。

この簡単なセットアップにより、継続的で信頼性の高い保護が提供されます。この設計は、最小限のPCBスペースを必要とし、電圧損失を最小限に抑え、逆バイアス条件下で迅速かつ効率的に応答します。

全体的なコストも良いです。直列ショットキーダイオードは、一般に専用の逆極性保護デバイスよりも安価ですが、動作電流が増加し始めると、ショットキー法に基づく総コストが上昇し始めます。費用効果の高いトレードオフのために、専用の逆極性保護デバイスが最も魅力的な電子的方法である可能性があります。

人々はバッテリーを間違え続けるでしょうが、設計者が軽微な事故を防ぐ方法は変わる可能性があります。全範囲を検討した後、専用の逆極性保護デバイスは、時間の経過とともに複雑な機械的ソリューションを完全に置き換える可能性があります。

逆極性形成の原因と取れる対策

システムが誤動作したり、さらに深刻な火災が発生したりすることは誰も望んでいません。ただし、これは逆極性が壊れることを許可されている場合に発生する可能性があります。

逆極性は、定常状態の逆バイアスまたは負の過渡現象の結果です。これは危険な電気的状態であり、システムの出荷後に防止することは困難です。

逆極性のリスクは、モバイルエレクトロニクス、バッテリー駆動システム、自動車用電源に接続されたデバイス、DC電源のおもちゃ、バレルジャックコネクタ付きの製品、または負電圧プラグインの影響を受ける熱など、さまざまな一般的なアプリケーションでの本当の脅威です。または誘導性過渡DCデバイス。 USB接続やUSB充電をサポートするシステムは特に影響を受けやすくなっています。

逆極性の最も一般的な理由のいくつかを次に示します。

アフターマーケットアフターマーケット充電器または電源を使用する

サードパーティの充電器の市場は成長していますが、すべての充電器が逆極性保護で設計されているわけではありません。場合によっては、充電器に逆の電気接点があるか、ユーザーが極性を設定できるため、エラーの余地があります。

USBの「ホットプラグ」機能を使用する

バスが電源状態にあるときにモバイルデバイスを簡単に接続または切断できるということは、ホットプラグトランジェントの大きさと同様に、「ホットスワップ」操作が増加していることを意味します。これらの誘導性トランジェントは、バスを逆極性状態にスイングします。これらのスイングの時間はしばしば短いですが、大きさは大きいです。 「ホットスワップ」動作中に、±20Vを超える電圧レールスイングが測定されました。この過渡現象は、切断されたデバイスや電圧レール上の他のデバイスに影響を与える可能性があります。この問題は、充電電流が増加した場合にのみ悪化します。

正しく挿入されていないバッテリーを使用してください

バッテリーが正しく挿入されておらず、プラス端子とマイナス端子が逆になっているため、バッテリー駆動システムが誤動作する可能性があります。これは、AAA、AA、C、およびDセル電池、またはCR123、CR2、ボタン型リチウム電池などの従来のフォームファクタを備えたデバイスに特に当てはまります。バッテリーが適切に挿入されている場合、機械的ソリューションはバッテリー端子との電気的接触を防ぎますが、これらのソリューションはカスタム成形が必要であり、経時的な接触疲労に耐えることができます。

発展途上国での壁プラグの使用

世界には、電力インフラストラクチャの保護要件が少ない場所もあります。そのため、電源装置は大きな過渡電圧をラインに送信できます。屋内配線は状況を悪化させます。これまで、従来の白熱灯は電力線の過渡エネルギーを吸収して抑制するのに役立ちましたが、LEDやCFLなどの新しいタイプの製品には同じ抑制特性がありませんでした。 LEDやCFLに移行することによる省エネ作業は、これまでにない問題を引き起こす可能性があります。

車（または航空機、電車など）の電源にデバイスを挿入します

多くの場合、トラフィック電源の電源アダプタには逆極性保護が含まれていますが、特に低コストの代替品では例外があります。疑いを持たないユーザーがデバイスを車のライタージャックに挿入するだけで、ライタージャックがデバイスの障害を引き起こす可能性があることに気付いていないため、逆極性イベントが発生する可能性があります。

逆極性イベントをトリガーする方法は多すぎるため、設計者は、損傷を避けるために、システムが工場から出荷される前に、逆極性を防ぐためにできる限りのことを行う必要があります。

100mA未満のシステムでの逆極性の最適な保護方法

低電流システム（動作電流が100mAまたは200mA未満のシステム）は、安全システムや火災警報器からビルディングオートメーション、拡声装置、データネットワークまでの幅広いアプリケーションをカバーします。

これには多くの異なる作業環境が含まれ、設計者はシステムが使用される場所を常に予測できるとは限りません。状況によっては、システムが定常状態の逆バイアスや負の過渡現象などの劣悪な電気的条件にさらされる可能性があり、これにより逆極性イベントが発生してシステムが損傷する可能性があります。

結果は電気的障害のように単純かもしれませんが、状況が深刻な場合、火災につながる可能性があります。したがって、設計者が逆極性の悪影響を防ぐために回路を追加することは珍しくありません。

これを行うにはいくつかの方法がありますが、低電流アプリケーションの場合、通常、効率はそれほど問題になりません。システムが消費電力に耐えることができ、動作電圧降下が各方法に関連付けられている限り、直列PNまたはショットキーダイオードの2つの簡単な方法を使用して目標を達成できます。

シリーズPNダイオード

設計が大きな直列降下（±1V）を受け入れる場合、または高電圧の逆過渡（> 200V）が発生する可能性がある場合は、直列PNダイオードを使用することをお勧めします。図2に設計例を示します。これは、高速ブロッキング、リセット可能な機能、および高いブレークダウン電圧を提供するシンプルで低コストのソリューションです。

このダイオードは消費電力が最小であるため、必要なヒートシンクが少なく、安価です。通常の動作中または考えられる障害状態でデバイスが高温になっていない限り、システムは正常に動作します。

それでも、このソリューションはすべての設計に適しているわけではありません。動作電流が増加すると、コスト上の利点はすぐになくなります。さらに、より高い電流では、消費電力が大きくなるほど、最終的に必要なダイオードはより高価になり、より熱伝導性の高いパッケージとヒートシンク構造が必要になります。

また、低電圧システム（≤5V）に、ダイオードドロップアウトは、そうでなければ、低コストであることが予想される方法は、実際に高価なものれ、追加の下流の昇圧回路を必要とし得ます。

したがって、PNダイオード方式を使用する前に、これらを念頭に置いてください。

シリーズショットキーダイオード

同様ですが、より広く使用されている方法は、直列PNダイオードの代わりに直列ショットキーダイオードを使用することです。この電圧降下は少し低く（±0.6V）、設計はより少ない電力を消費します。

より低い電圧降下は、従来のPNダイオードに関連する熱管理要件を軽減し、その結果、パッケージがより小さく、より低コストになる可能性があります。

それでも、多くのアプリケーションでは圧力降下が高すぎる可能性があるため、注意が必要です。さらに、ショットキーダイオードの動作範囲は直列PNダイオードの動作範囲よりも広いですが、この方法の最良のアプリケーションは、200mA未満でより高い電圧（> 5 V）の電流を使用することです。

結論として

どちらの方法を使用する場合でも、電圧降下と消費電力の2つの主要な側面を考慮する必要があります。両方のパラメータが許容範囲内であると仮定すると、両方の方法で、低電流システムを、低コストで逆極性イベントによって引き起こされる可能性のある損傷から効果的に保護できます。電圧降下または電力損失が問題になる場合は、フェアチャイルドのFRデバイスなどのアクティブなソリューションを検討してください。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。