ブログ

Sep 30, 2023

ハイサイド スイッチを学び、構築する

Come ingegnere elettronico, ho una collezione di circuiti nella mia testa.

電子技術者として、整備士が作業中に特殊なツールを収集するのと同じように、私は長年にわたって収集した回路のコレクションを頭の中に持っています。 すべてのエンジニアはこれを行い、ツールボックス内のツールは通常、プロジェクトの歴史と範囲を表します。

設計者のツールボックスに入れておくと便利な回路は、「ハイサイド スイッチ」です。 文字通り、これは「ハイサイド」つまり正の電圧を負荷に切り替える回路です。

私たちは通常、オープンコレクタ出力などの出力でわかるように、物事をグランドに切り替える傾向があります。その理由は、グランドは通常既知のものであり、通常は低インピーダンスであり、既知の電圧にあるためです。 ただし、回路でハイサイド スイッチを使用することには利点があります。

ハイサイドを切り替えると、ローサイドよりも多くの未知数が処理されます。 入力電圧、必要な出力電圧、電源電圧のインピーダンスはほとんどすべて可変です。 ほとんどの場合、低インピーダンス出力を提供する必要もあります。これは、ハイサイド スイッチ自体の抵抗が負荷との分圧器を形成しないことを意味し、スイッチの両端で大幅な電圧が降下します。

たとえば、リレーを使用してハイサイドスイッチを作成することもできますし、これが現在でも行われている場合があります。 通常、電流使用量、電流能力、コイル電圧、コスト、サイズの特性は互いに矛盾します。

標準的なトランジスタを使用する場合、何らかの電圧降下を許容しなければならないのは当然のことです。 これは、通常、プロセス中に 0.3v が失われるため、5 ボルトの電源から 5 ボルトの出力を得ることができないことを意味します。 高電流では、電力損失もすぐに手に負えなくなります。

電界効果トランジスタ (FET) を使用すると、その優れた特性を利用してスイッチを作成できます。 使用する FET を絞り込むには、通常はオフで、制御電圧を印加することでオンにする必要がある部品が必要であると言うことから始めます。これは、エンハンスメント モード FET が必要であることを意味します。 次に、スイッチングしている電圧 (利用可能な場合) よりも高い電圧を使用してデバイスを制御するか、その電圧よりも低い電圧を使用してデバイスを制御するかを決定します。 たとえば、5 ボルトをオンにしたい場合、8 ボルト以上を使用して行いますか、それとも 4 ボルト以下で行いますか? この例では、追加の電圧を加えずにハイサイド スイッチをオンにしたいと考えていますが、実際には信号を接地することがある程度魅力的です。 したがって、P チャネル エンハンスメント FET が選択肢として残ります。

どのパーツの特性も幅広く多様であるため、いくつかの重要なパラメータを探すことから始めます。 スイッチング アプリケーションでは、リニア オーディオ アンプ アプリケーションのようなものとは対照的に、ドレインからソースへのオン抵抗が低いことが重要です。 このパラメータはドレイン・ソース間抵抗 ON または RDS(ON) として知られており、良好に使用できる部品であり、通常はミリオーム単位で測定されます。 オームの法則を使用すると、電流が 1 アンペアの場合、ミリオームの電圧降下がミリボルトになることが簡単にわかります。

次に、利用可能な電圧で部品をオンにできることを確認します。 これは、ゲートからソースへの電圧しきい値 VGS(thresh) 仕様に相当します。 -1 V の VGS(thresh) は、3.3 ボルトをスイッチする場合、ゲートを 3.3 ボルトより少なくとも 1 ボルト下にプルする必要があることを意味します。トランジスタまたはオープンコレクタ デバイスを使用すると、通常、信号を 0.3 ～ 0.5 ボルトの範囲内にプルできます。この場合、VGS（しきい値）が 1 ボルト程度の部品を使用して 2.5V を切り替えるには十分な余裕があります。

表に示されているいくつかのデバイスの仕様を見ると、多くのトレードオフが発生していることがわかります。 より小さい TO-92 パッケージを選択すると、RDS(ON) 値が 1 オーム以上になり、この場合は使用できなくなります。 RDS(ON) を小さくしすぎると、価格が 4 倍になります。 他のパーツには VGS(thresh) が大きすぎますが、実際には、ここで示したプロジェクトに使用できるパーツを見つけるのはそれほど難しくありませんでした。

カバーの下を覗くことに興味がある人のために説明すると、TO-220 のような大きなケースのオン抵抗が低い理由は、ケースがより大きなチップ ダイを保持しているためです。 チップダイが大きいほど表面積が大きくなり、抵抗が小さくなります。 P チャネル デバイスを使用しているという事実は、より多くの表面積も必要であることを意味します。これは、P チャネル デバイスはキャリアに電子の代わりに「正孔」を使用するため、一般に N チャネル デバイスよりも効率が低いためです。 最も単純な言い方は、正孔の移動度は電子の移動度よりも小さいということです。

スイッチ回路は 2 つの基本コンポーネントで構成されますが、FET の逆方向保護ダイオードなど、生産に値する設計のために考慮される追加コンポーネントは含まれません。 そうは言っても、示されている FET には過電圧と逆方向保護の両方のために逆アバランシェ ダイオードが組み込まれていますが、追加の保護が必要かどうかを判断するのはエンジニアの仕事です。

図示の抵抗はバイアス抵抗であり、他の入力が存在しない状態でゲートを既知の値に保ちます。この場合、FET はオフまたは非導通状態に保たれます。 つまり、FETをオンにするために少なくとも-1Vが必要な場合、抵抗はFETを0VのVGS状態に保ちます。

低い RDS(ON) の効果を実証するために、5 オームの負荷を備えた回路を示します。 オームの法則と E=IR を思い出すと、5 ボルトに 5 オームの負荷がかかると、負荷電流は 1 アンペアになります。 同じ式を使用すると、1 アンペアの電流を使用して RDS(ON) を簡単に示すことができます。1 アンペアでの電圧降下が 0.057 ボルトであるということは、この場合の FET の抵抗が 0.057 オームであることを意味します。 これを大局的に考えると、デバイスによって消費される電力は P=I2R、つまり 0.057 ワットまたは 57 ミリワットです。 ヒートシンクが必要ないこと、この方法でデバイスが確実に動作することを知るために、実際に熱計算を行う必要さえありません。 大局的に見ると、負荷抵抗の電力損失は 5 ワットで、スイッチ自体の電力損失の 87 倍です。

負荷をオンにする過程で損失するのは 0.057 ボルトだけなので、5V 電源を電源として使用しながら、現在入手可能な多くの 5V コントローラやマイクロコンピュータ ボードの 1 つなどの 5V 負荷をオンにすることができることを意味します。 これは機械式スイッチとほぼ同じです。

単純なトランジスタとそのベースに電流を制限する抵抗を追加することで、FET をオンにするために必要な信号を反転できます。 これは、負荷側の電圧を反転トランジスタに接続することでプッシュオン状況を作り出すことができることを意味します。 一度ハイになると、何かがトランジスタをオフにするまで、トランジスタは FET をオンにし続けます。

プッシュオン回路を示す際の私の考えは、バッテリー駆動のアセンブリや、タイマーを使用して一定時間後に電源をオフにするアプリケーションについての考えから生じています。 コントローラベースの負荷は、それ自体の電源をオフにすることもできますが、Linux ベースのシステム、Raspberry PI など、負荷が完全にシャットダウンするのに時間が必要な場合には、これは少し複雑になります。

これがいつか役立つかもしれない簡単な回路の例であることを願っています。少なくともハイサイド スイッチの特性と、その仕様によるコンポーネントの選択について少し説明しました。