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適切なTVS（過渡電圧サプレッサ）を選択する – 9ステップのアプローチ
設計において、どのデバイスを使用するか決める際には、プロセスを簡単かつ迅速にするためのステップバイステップのガイドラインがあれば非常に役に立ちます。ここでは、HOT SWAPアプリケーションでTVSデバイスを選択する方法について説明します。
図1． 54V DCベースの電源アーキテクチャのブロック図
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最初のステップ：最小スタンドオフ電圧 V_R を選択します。今回の場合、許容誤差は5%としました。
V_{IN}=54 \rightarrow V_R=105\%V_{IN}=1.05(54V),
\;\;V_{R}=56.7V.
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回路のワーストケース特性から想定される最大のパルス電流 I_P を求めます。
この例では、480Aのピーク電流を使用します。
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設計者は、第1ステップで決定した動作電圧のTVSを事前に選択する必要があります。MCCのSMC 5kWシリーズは、堅牢なTVSオプションを提供しており、以下の品番はスタンドオフ電圧の要件を満たしています。本アプリケーションで、これらを評価します。
• 5.0SMLJ58A
• 5.0SMLJ60A
• 5.0SMLJ64A
• 5.0SMLJ70A -
次のステップは、過渡時のクランプ電圧 V_C を求めることです。次の式を使用します。
V_C=I_P\left(\dfrac{V_{C(Max),8/20\mu s}-V_{BR}} {I_{PP,8/20\mu s} }\right)+V_{}BR.
V_C=480 A\left(\dfrac{125V-70.37V} {320A }\right)+70.37,
V_C=152.15V.
図2． 5.0SMLJxxxx TVSシリーズのデータシート、重要なパラメータの表
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その後、前のステップで計算された V_C および I_P 推定値を用いて、過渡パルスの通過中にTVSで消費される電力を求めます。
P_P=V_CI_P=152.15V\left(480A\right)=73.03kW.
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パルス持続時間 \Delta t_d は、入力寄生インダクタンスを用いて次の式で推定されます。
V_L=L_{parasitc}\dfrac{di_L}{dt}\approx L_{parasitc}\dfrac{\Delta i_L}{\Delta t},
\Delta t_d=\dfrac{L_{parasitic} I_P}{V_C-V_{IN}},
そして、前のステップで得られた値を使用すると、この例では次の時間が得られます。
t_d=\dfrac{L_{parasitic} I_P}{V_C-V_{IN}}=\dfrac{500nH\cdot480A}{152.15V-54V},
t_d=2.45\mu s.
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このステップと次のステップでは、単一のTVSの電力性能を確認します。第6ステップのパルス幅 \Delta t_d に対する許容ピークパルス電力 P_{PP} を、図3に示します。この部品が消費できる電力は80kWをわずかに上回っています。
図3． 5.0SMLJxxxx TVSのピークパルス定格電力曲線
- ここまで来たら、次のステップは、アプリケーションで予想される最高周囲温度を考慮して、許容電力 P_{PP} をディレーティングすることです。近くの部品による加熱の影響も考慮に入れることをお勧めします。図4では、最高温度が 125°C の例を示しています。
図4． 5.0SMLJ60A TVSの温度に対するピークパルスディレーティング曲線
この例では、ディレーティング後のコンポーネントの最終的な最大許容電力は次のとおり
です。
P_{PP@125°C}=35\%P_{PP}=35\%82kW=28.7kW.
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TVSが正常に機能するためには、第8ステップのディレーティングされた電力が、第5ステップで計算したTVSのピーク電力より少なくとも 50%以上の余裕を持って上回っている必要があります。これにより、部品およびアプリケーションの信頼性が確保されます。
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;P_{PP@125°C}>1.5P_P.
この例の場合、結果は次のとおりです。
P_{PP@125°C}=28.7 kW,\\ \;\;\;\;\;\;1.5P_P=109.6kW.
電力条件が満たされていないため、TVS選択のための9ステップのプロセスを新たに繰り返
す必要があります。次の2つの解決策があります。
a. より大きな電力性能を備えた別のデバイスで検討する。
b. 同じTVS部品をいくつか並列に接続して電力を分散する。
表1は、3つの異なる I_P 値（120A、160A、480A）の例での計算結果をまとめたものです。
緑色の欄では、第9ステップで規定された電力条件を1個のデバイスで満たしていることが分かります。
表1． 5.0SMLJxxxx MCCシリーズの TVSデバイスに関するデータシートパラメータと計算による P_P および td値。データシートに記載されているパラメータと、本稿で示した計算結果を示しています。
より詳細な情報については、アプリケーションノート：Hot-Swap Controller Application Note: Enhancing Data Center Reliabilityをご覧ください。