ロードスイッチとは?用途や動作原理を解説

ロードスイッチとは、電源と負荷の間に挿入されるハイサイドスイッチで、負荷への電源の供給のオン/オフ切り替えを行う半導体スイッチです。
オン/オフ機能に加え、過電流保護、突入電流防止、逆流防止などの機能を搭載したロードスイッチICも複数のメーカーからリリースされています。

ロードスイッチ

>>各メーカーのロードスイッチICの性能比較を見る

用途、使い方

ロードスイッチはCPUやDSPへの電源供給、モーターやソレノイドなどの負荷駆動にも使われます。
単純にMOSFETをオン/オフさせるだけの場合もありますが、実際の設計では複数の保護機能を搭載した「ロードスイッチIC」が用いられます。

ロードスイッチICの主な用途は次のようなものです。

  • 電源供給のオン/オフ切り替え
  • 負荷ショート検知、保護
  • 負荷のオープン検知
  • 暗電流低減のための負荷切断
  • シーケンス制御

ロードスイッチ回路の設計

ロードスイッチをディスクリート部品で組む場合、下図のような回路が用いられます。

ロードスイッチ回路

この回路を設計する際の注意点は2つあります。

1.VGS電圧に注意する

MOSFETのVGSの耐圧はVDSに比べ低いため、耐圧を超えないようにする必要があります。
ロードスイッチがオンする時、M1のVGS電圧は、

VGS = VIN × R1 / (R1 + R2)

となります。
VINが最大の時にでもVGSが耐圧を超えないようにR1、R2を設定する必要があります。

しかし、VINの変動が大きいシステムの場合、VIN最大時に合わせて設計すると、VIN最小時にオンできなくなってしまう場合があります。
その場合、VGS間にツェナーダイオードを挿入して、抵抗分割値はVIN最小時でもオンできるような設計にするという方法があります。

2.突入電流の防止

負荷側に大きな容量があると、ロードスイッチがオンした瞬間に大きな突入電流が発生してしまいます。
C1を追加してゲート電圧をゆっくり落とすことで、突入電流を抑えることができます。
C1の違いで突入電流がどう変わるのか、シミュレーションをしてみました。

C1=1000pF

ロードスイッチの突入電流

C1=0.1uF

ローづスイッチの突入電流

C1が大きいほど突入電流は抑えられますが、ON信号がHiになってから出力が立ち上がるまでの時間が長くなってしまうデメリットがあります。
シーケンス上問題がないか確認しておきましょう。

ロードスイッチICに搭載される機能

ロードスイッチICに統合されている機能には以下のようなものがあります。

ロードスイッチICを使う一番のメリットはフェールセーフ機能です。
負荷異常時にICが破壊しないようにするだけではなく、マイコンへ異常通知を行いスイッチをオフするなどシステムとしてのフェールセーフ性能を高めることができます。

関連記事
逆起電力の発生原理と対策をわかりやすく解説

逆起電力とは、誘導性負荷駆動回路において、駆動回路オフ時に発生する逆方向の電圧のことです。 コイルサージ、逆起電圧とも呼ばれます。 逆起電力は瞬間的に発生する大きなサージ電圧となるため、接続されている電子デバイスの誤動作の原因になったり、最悪破壊してしまう可能性があります。 IN…

SOA(安全動作領域)とは?ディレーティングなどの考え方…

安全動作領域とは、MOFFETやバイポーラ、IGBTなどのトランジスタが破壊せずに安全に動作できる電圧・電流範囲を示したものです。 安全動作領域を一瞬でも超えると破壊する可能性があるため、あらゆる動作条件において領域内の範囲に収まるように設計する必要があります。 安全動作領域は、…

LDOの基礎から応用まで全てを解説

本記事では、LDOを使った電源設計ができるようになるために必要な全ての知識を、基礎から応用まで分かりやすく解説していきます。 INDEXLDOとは?シリーズレギュレータとの違いスイッチングレギュレータとの違い仕組みと動作原理データシートの見方出力電圧範囲最大出力電流電圧精度出力電…

アーリー効果とは?メカニズムとアーリー電圧の求め方

アーリー効果とは、コレクタ電圧が高くなることでベース幅が薄くなりhFEが増大する現象です。 これにより、コレクタ-エミッタ間電圧が大きくなるとコレクタ電流が増加するという特性が見られます。 アーリー効果は、この効果を発見したアーリー(J.Early)にちなんで名付けられています。…

ゲートドライバとは?ICの使い方、内部回路について解説

ゲートドライバとは、MOSFETやIGBTの駆動制御を行うための回路です。 MOSFETやIGBTのゲート電圧を制御することで、オン・オフの切り替えを行います。 ゲートドライバICは、マイコンなどからの制御信号を受け増幅して出力する回路を統合したものです。 本稿では、ゲートドライ…