ハイサイドスイッチ – metoree本番管理

ハイサイドスイッチとは

ハイサイドスイッチとは、モータ、ソレノイド、インダクタ、 LEDなどの負荷に対して電源供給をON/OFFする半導体素子のことです。

使用する半導体は、Pチャネル型のMOSFETを使用するケースが多いです。回路上の配線において、負荷の電源側にスイッチを配置するのでハイサイドスイッチと呼ばれています。

ハイサイドスイッチがONの時は、負荷に電源を供給し、ハイサイドスイッチがOFFの時は負荷へ電源を供給しません。回路上の配線において、負荷の出力側 (電源と逆側) にスイッチを配置する場合は、ローサイドスイッチと呼びます。

ハイサイドスイッチは、さまざまな負荷に対して電源を供給したり遮断したりする目的で使用されています。具体的には、インバータや電源オンオフの回路、 LEDの駆動ドライバ、モータやソレノイドなどインダクタンス性の負荷駆動に使用されるケースが多いです。

負荷へ大電流を流すことも多く、突入電流の対策や逆流防止の回路などを考慮に入れて設計する必要があります。リレー等のメカニカルなスイッチではなく、半導体素子で負荷の電源供給をON/OFFするため ON/OFFスピードを早くすることが可能です。

負荷への電源供給はON状態のまま、負荷の出力をON/OFF制御したい場合は、ローサイドスイッチを使用して下さい。

FETはPチャネル型とNチャネル型の2種類ありますが、 FETをローサイドスイッチとして使用する場合はNチャネル型FETを使用する場合が多いです。ハイサイドスイッチとして使用する場合は、Pチャネル型FETを使用するのが一般的です。

Pチャネル型FETは、ゲートソース電圧に負の電圧を与えた時、ドレインソース間の抵抗値が小さくなり、ソースからドレインに向かって電流が流れます。流れる電流の向きに合わせて、電源や負荷をFETに接続する必要があり、Pチャネル型FETのソースに電源を接続し、ドレインに負荷を接続します。

Pチャネル型FETは、ゲート電圧をソースに接続した電源電圧よりも低くすればソースからドレインに向かって電流が流れるので、ハイサイドスイッチとして機能します。

トランジスタの各端子名が「ベース」「エミッタ」「コレクタ」と呼ぶのに対し、 FETの各端子名は「ゲート」「ソース」「ドレイン」と呼ばれます。「ベース」と「ゲート」、「エミッタ」と「ソース」、「コレクタ」と「ドレイン」が似たような動きをする端子です。

トランジスタはベースに流れる電流に一定の倍数をかけた電流がコレクタに流れる特性を持っていますが、 FETはゲートソース間の電圧により、ドレインソース間の抵抗値が変化する特性を持っています。ゲートソース間の電圧が高くなると、ドレインソース間の抵抗値が小さくなります。

制御方法は、トランジスタを制御する際はペース電流を制御し、コレクタ電流を制御するのに対し、 FETを制御する際はゲートソース間の電圧を制御して、ドレインソース間の抵抗値を制御するのが効果的です。

Nチャネル型FETをハイサイドスイッチとして使用する場合は、電源をドレインに接続し、負荷をソースに接続し、ゲート電圧を負荷に与える電源電圧よりも高くする必要があります。ゲート電圧を負荷に与える電源電圧よりも高くする場合は、ゲート電圧昇圧回路等を用意して下さい。

Pチャネル型FETの場合はゲート電圧昇圧回路が不要となりますが、 Nチャネル型FETと比べて、ドレインソース間の抵抗が大きくなるので、 FETを選定する時に注意が必要です。

参考文献
https://analogista.jp/highside-sw/
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/switch/switch_what2
https://detail-infomation.com/load-switch/