【ロードスイッチとは】回路と原理について分かりやすく解説！

この記事ではロードスイッチの回路構成や動作について図を用いて分かりやすく説明しています。

ロードスイッチとは

ロードスイッチとは、負荷(モータ、AV機器、ポータブル機器等)に電力を供給するラインに対して、ON/OFFを行うスイッチのことです。

スイッチがONの時に負荷に電力を供給し、スイッチがOFFの時に負荷への電力供給を遮断します。

このスイッチにはMOSFETが使用されます。そのため、MOSFETの代表的な応用分野の1つがロードスイッチということになります。

ロードスイッチに用いるMOSFETは一般的にはPチャネル型MOFFET(PMOS)が使用されますが、Nチャネル型MOFFET(NMOS)が使用されることもあります。

補足

ロードスイッチは電源側をスイッチするため、ハイサイドスイッチとも呼ばれています。

ロードスイッチの回路構成

Pチャネル型MOFFETを使用したロードスイッチ

ロードスイッチにPチャネル型MOFFETを用いた時の回路構成は上図のようになります。

Pチャネル型MOFFETのソース(S)を入力側、ドレイン(D)を出力側に配置します。

これは、Pチャネル型MOFFETと並列についている逆流防止ダイオードの向きをカソードを入力側、アノードを出力側にするためです。このようにすることで、Pチャネル型MOFFETがOFFの時に入力側から出力側に電流が流れるのを防止します。

また、Pチャネル型MOFFETのゲートソース間にはコンデンサC₁と抵抗R₁を接続します。コンデンサC₁と抵抗R₁の役割を以下に示します。

コンデンサC1の役割

コンデンサC₁は突入電流防止用のコンデンサです。

ゲート電圧V_Gの立ち下がりをゆっくりにし、Pチャネル型MOFFETのオン抵抗R_DS(ON)をゆっくり低下させることで、突入電流を防止しています。

抵抗R1の役割

抵抗R₁はトランジスタQ₂がONした時に、抵抗R₁と抵抗R₂で分圧するための抵抗です。この分圧を調整してPチャネル型MOFFETのゲートソース間電圧を決定させます。

また、Pチャネル型MOFFETのゲートにはトランジスタQ₂を接続します。トランジスタQ₂の役割を以下に示します。

トランジスタQ2の役割

トランジスタQ₂はPチャネル型MOFFETを制御するためのトランジスタです。

トランジスタQ₂がOFFの時、Pチャネル型MOFFETのゲートソース間電圧がゼロとなり、Pチャネル型MOFFETがOFFします。

トランジスタQ₂がONの時、抵抗R₁と抵抗R₂によりPチャネル型MOFFETのゲートソース間に電圧が印加され、Pチャネル型MOFFETがONします。この時ゲートソース間電圧V_GSは次式となります。

\begin{eqnarray}
V_{GS}=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}V_{IN}-V_{IN}
\end{eqnarray}

補足

トランジスタQ₂にはNPNトランジスタやNチャネル型MOFFETが使用されます。また、Pチャネル型MOFFETを制御するためにフォトカプラを使用することもあります。
一般的にはロードスイッチはPチャネル型MOFFETを使用した構成が有名ですが、Pチャネル型MOFFETはNチャネル型MOFFETに比べて高く、メーカーも生産終了や販売終了することがNチャネル型MOFFETと比較して高くなっています。そのため、少し回路が複雑になりますが、ロードスイッチにNチャネル型MOFFETを用いている場合もあります。

Nチャネル型MOFFETを使用したロードスイッチ

ロードスイッチにNチャネル型MOFFETを用いた時の回路構成は上図のようになります。

Nチャネル型MOFFETのソース(S)を出力側、ドレイン(D)を入力側に配置します。

これは、Nチャネル型MOFFETと並列についている逆流防止ダイオードの向きをカソードを入力側、アノードを出力側にするためです。このようにすることで、Nチャネル型MOFFETがOFFの時に入力側から出力側に電流が流れるのを防止します。

Nチャネル型MOFFETをONするためには、ゲートソース間電圧V_GSが正になる必要があります。すなわち、ソースの電圧よりもゲートの電圧の方が高くなる必要があります。そのため、Nチャネル型MOFFETをONするために別途、出力電圧V_OUTより高い電圧V_SUBが必要になります。

また、Nチャネル型MOFFETのゲートにはコンデンサC₁と抵抗R₁を接続します。コンデンサC₁と抵抗R₁の役割を以下に示します。

コンデンサC1の役割

コンデンサC₁は突入電流防止用のコンデンサです。

原理はPチャネル型MOFFETと同様で、ゲート電圧V_Gの立ち上がりをゆっくりにし、Nチャネル型MOFFETのオン抵抗R_DS(ON)をゆっくり低下させることで、突入電流を防止しています。

抵抗R1の役割

抵抗R₁はトランジスタQ₂がONした時に、抵抗R₁と抵抗R₂で分圧するための抵抗です。

トランジスタQ₂がONした時、電圧V_SUBが抵抗R₁と抵抗R₂で分圧され、Nチャネル型MOFFETのゲートに印加されます。そのため、ソースの電圧よりもゲートの電圧の方が低くなり、Nチャネル型MOFFETがOFFします。

抵抗R₁がない場合、トランジスタQ₂がONしても、Nチャネル型MOFFETのゲート電圧が電圧V_SUBと等しいため、Nチャネル型MOFFETをOFFすることができなくなります。

また、Nチャネル型MOFFETのゲートにはトランジスタQ₂を接続します。トランジスタQ₂の役割を以下に示します。

トランジスタQ2の役割

トランジスタQ₂はNチャネル型MOFFETを制御するためのトランジスタです。

トランジスタQ₂がONの時、電圧V_SUBが抵抗R₁と抵抗R₂で分圧され、Nチャネル型MOFFETのゲートに印加されます。そのため、ソースの電圧よりもゲートの電圧の方が低くなり、Nチャネル型MOFFETがOFFします。

トランジスタQ₂がOFFの時、出力電圧V_OUTより高い電圧V_SUBがNチャネル型MOFFETのゲートに印加されます。このゲートソース間電圧V_GSがNチャネル型MOFFETの閾値電圧を超えるとONします。なお、ゲートソース間電圧V_GSは次式となります。

\begin{eqnarray}
V_{GS}=V_{SUB}-V_{OUT}
\end{eqnarray}

ロードスイッチの動作

Pチャネル型MOFFETを使用したロードスイッチの動作

V_SからHighレベルが出力された場合

トランジスタQ₂のベースに電圧を供給する電圧源V_SがHighレベルの時、抵抗R₃と抵抗R₄を通りグラウンドに電流が流れます。
トランジスタQ₂のベースエミッタ間電圧が閾値電圧以上になると、トランジスタQ₂のベースからエミッタにベース電流I_Bが流れます(その時、R₄にも微小電流が流れています)。
通常、トランジスタQ₂はこのベース電流I_Bのh_FE倍(小電力用だと約100程度)のコレクタ電流I_Cをコレクタからエミッタに流します。しかし、実際には、抵抗R₁と抵抗R₂によって電流が制限され、『\(\displaystyle\frac{V_{IN}}{R_{1}+R_{2}}\)』以上のコレクタ電流I_Cを流すことができなくなります。トランジスタにとってより多くのコレクタ電流I_Cを流したくても流せない状態を、飽和と呼びます。トランジスタが飽和状態ではない場合、コレクタエミッタ間電圧V_CEが大きくなります。
トランジスタを飽和状態にするために、コレクタ電流I_Cが『\(\displaystyle\frac{V_{IN}}{R_{1}+R_{2}}\)』以上流れるようにベース電流I_Bを流す必要があります。式で表すと次式となります。
\begin{eqnarray}
\frac{V_{IN}}{R_1+R_2}{\;}{<}{\;}h_{FE}I_B{\;}{\Leftrightarrow}{\;}\frac{V_{IN}}{R_1+R_2}\frac{1}{h_{FE}}{\;}{<}{\;}I_B
\end{eqnarray}
余裕をもって上式の2倍以上のベース電流I_Bを流すように抵抗R₃の値を設計をします。
トランジスタQ₂がONすると、入力電圧V_INからグランドに向かって電流が流れるルートができます。その結果、Pチャネル型MOFFETのゲートソース間電圧に電位差が生じて、Pチャネル型MOFFETがONします。

V_SからLowレベルが出力された場合

トランジスタQ₂のベースに電圧を供給する電圧源V_SがLowレベルの時、トランジスタQ₂のベースからエミッタにベース電流I_Bが流れず、トランジスタQ₂はOFFとなります。
トランジスタQ₂がOFFの場合、コレクタからエミッタにコレクタ電流I_Cが流れません。
コレクタ電流I_Cが流れないので、コンデンサC₁に蓄積されている電荷は抵抗R₁によって消費され、Pチャネル型MOFFETのゲートソース間電圧V_GSは徐々に低下していきます。その結果、Pチャネル型MOFFETがOFFとなります。