汎用電力アプリケーション向けローサイド駆動およびハイサイド駆動技術
MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）は、現代の電子回路において広く使用されている半導体デバイスです。パワーエレクトロニクスおよびスイッチング制御の応用分野において、MOSFETは高速スイッチング、高効率、および低導通損失といった特長から広く利用されています。しかしながら、より優れた性能を得るためには、MOSFETは回路内での位置およびシステム要件に応じて適切に駆動されなければなりません。
さまざまな駆動トポロジの中でも、ローサイドおよびハイサイド構成は、DC/DCコンバータ、LED調光器、電池駆動システムなど、一般的な電力制御において最も広く使用されています。
1. ローサイド駆動
ローサイド駆動構成では、N型MOSFETは負荷とグランドの間に配置されます（負荷が上、MOSFETが下）。ゲートはMCUまたはドライバの出力電圧によって直接制御されます。
このトポロジは、LED調光、モータ始動、スイッチ制御、電力管理、およびほとんどのPWM制御シナリオ（例：バックコンバータ）などのアプリケーションに適しています。
利点
- MCUで直接制御可能なシンプルな駆動回路
- 高速スイッチング
- N型MOSFETの低コストかつ低オン抵抗（RDS(on)）
制約
- グランド側で電流スパイクが発生する可能性があり、信号品質に影響を及ぼす場合があります（グランド分離とフィルタリングが必要です）。
- ハイサイドの電力切り替えには適していません。
設計上の考慮事項
ローサイド駆動回路を設計する際には、
-
まず、適切なMOSFETを選択してください
完全な導通を実現するため、MOSFETの閾値電圧（Vth）が駆動電圧よりも低くなるようにし、また電力損失と発熱を低減するため、オン抵抗（RDS(on)）の低いMOSFETを選択してください。
駆動電圧と電流の観点から、MOSFETを完全にオン状態にするのに十分な駆動電圧を確保してください。 -
ゲート抵抗
適切なゲート抵抗を使用することで、MOSFETのスイッチング速度を制御し、電磁干渉（EMI）を低減し、ゲート発振を防止します。 -
プルダウン抵抗
誤動作を防ぐため、ゲートにプルダウン抵抗を設けてください。駆動回路がオフのとき、プルダウン抵抗によりMOSFETがオフ状態を維持し、浮遊電圧による意図しない導通を回避します。 -
プリント基板のレイアウトと接地
ループ面積を最小限に抑え、EMIを低減するとともに、駆動回路とパワーMOSFETの接地接続を確実にし、接地電位差による問題を回避してください。
例
TIの UCC27324 高速デュアルMOSFETドライバは、高速スイッチング用途に使用され、最大4Aのピークソース電流およびシンク電流を供給します。
出力段は並列接続することも可能で、これにより単一チャンネルあたりの駆動電力が高くなります。
効果的なレイアウト手法をより深く理解するため、TIの UCC27324DR の推奨プリント基板レイアウトを例に、ループ面積を最小化する実践的な技術について説明します。
- プリント基板の上面と下面の配線レイアウトにおいて、ゲート駆動配線（赤色、直列ゲート抵抗を含む）と帰還配線（青色）は、両面配線プリント基板の反対面に位置しながら、互いに直接重なるように配置されています。
- 直流バイパスコンデンサを近接配置してください。広帯域にわたる低インピーダンスを実現するため、2つのコンデンサを並列に接続しています。コンデンサをより小型に、より近接させることにより、高周波過渡現象に対応します。
- ツインビアは低インピーダンス経路を提供するために使用され、帰還ループにおける寄生インダクタンスを最小限に抑えます。
いずれの場合においても、信号経路と帰還経路の間のループ面積は可能な限り小さく保ちます。これは高速スイッチング環境における電磁干渉（EMI）を最小限に抑えるために不可欠です。
技術的なヒント： ループ面積という用語は、RF設計におけるアンテナ理論と密接に関連しています。大きなループ面積は効率的なアンテナのように振る舞い、電磁障害を起こします。したがって、ループ面積を縮小することは、プリント基板レイアウトにおいて放射エミッションを抑制する最も効果的な方法の1つです。
2. ハイサイド駆動
ハイサイド駆動構成では、MOSFETは電源と負荷の間に配置されます（負荷が下、MOSFETが上）。通常、P型MOSFETまたはドライバ（ブートストラップ）付きのN型MOSFETが使用されます。
これは、電源スイッチ（例：バッテリプラス端子切り替え、パワーマネージメント）の制御に適しており、ハーフブリッジ/フルブリッジ駆動におけるハイサイドに使用されます。
利点
- プラス電源端子の制御に適しています
- オフ時に負荷の接地をフローティング状態に保ちます（安全性の向上）
- リチウム電池の切り替えや逆接続保護に有効です
制約
- P型MOSFETはオン抵抗（Rds(on)）が高く、性能がやや劣ります
- N型MOSFETのハイサイド駆動には、ブートストラップ回路またはチャージポンプが必要です
- ローサイド駆動よりも複雑な駆動回路となります
設計上の考慮事項
ハイサイド駆動回路を設計する際には、
-
まず駆動電圧の要件をご検討ください。
ハイサイドN型MOSFETのソース電圧は負荷電圧の上昇に伴い上昇します。そのため、完全な導通を確保するためには、ゲート電圧をソース電圧より約10V高く設定する必要があります。
必要なハイサイド駆動電圧を供給するために、ブートストラップ回路がよく使用されます。 -
ブートストラップコンデンサはMOSFETのオフ時間中に充電する必要があるため、長時間の導通を必要とする用途には適していません。
-
長時間の導通や高い信頼性が求められるアプリケーションにおいては、オプトカプラ、トランス、または容量性絶縁などの絶縁駆動方式により、安定したハイサイド駆動電圧を供給することが可能です。さらに、過電圧保護、低電圧誤動作防止機能（UVLO）、短絡保護などの保護機構を備えており、デバイス損傷を防止します。
-
プリント基板のレイアウトにおいては、信号の完全性を確保し、レイアウト不良によるEMIの問題を回避するため、寄生インダクタンスとキャパシタンスを最小限に抑えることが重要です。
例
onsemiの FAN73711 は、3.3Vまたは5Vの制御信号で動作可能なハイサイドゲートドライバです。内蔵ブートストラップ機構、低電圧誤動作防止機能（UVLO）、および短絡保護機能を備えています。
駆動トポロジの比較表
| 駆動トポロジ | 適用可能な シナリオ |
利点 | 欠点 | 主なIC ソリューション |
|---|---|---|---|---|
| ローサイド 駆動 |
1チャンネルのスイ ッチング、 低電圧アプリケー ション （例：バックコン バータ、LED調光、 電源スイッチ） |
シンプルなゲート駆動設計 低コスト N型MOSFETに よる高速スイッチング ロジックレベル互換 |
プラス電源レール の切り替えは不可、 接地スパイクは信 号の完全性に影響 を与える可能性あ り |
TI UCCx732x、 Microchip MIC4422 |
| ハイサイド 駆動 |
ハイサイド負荷制御、バッテリ切り替 え、モータ駆動（ハーフブリッジ/フルブリッジ） |
正電源レールの 制御が可能 安全性が向上 （電源オフ時に負荷が切断） 高電圧スイッチングに好適 |
ブートストラップまたは絶縁型ドライバが必要 P型MOSはRDS(on)値が高い 複雑な駆動電圧要件あり |
Infineon IRS2007、 onsemi FAN73711 |
まとめ
適切なMOSFET駆動トポロジの選択は、安定した効率的な電力制御システムにとって不可欠です。ローサイドドライバとハイサイドドライバは、多くの低～中電力アプリケーションにおいて、性能と実用性のバランスを実現します。ローサイド駆動は、コスト、実装の容易さ、論理互換性が優先される場合に最適です。一方、ハイサイド駆動は正電源レールを切り替える柔軟性を提供するため、バッテリ駆動システムや、より安全な負荷切断が必要な状況に理想的です。
適切な部品と設計手法を用いることで、これらの基本的なトポロジは、幅広い電子システムの堅固な基盤として機能します。
適用品番
| DigiKey品番 | メーカー品番 |
|---|---|
| 296-31999-2-ND、296-31999-1-ND、296-31999-6-ND | UCC27324DGNR |
| 296-27156-2-ND、296-27156-1-ND、296-27156-6-ND | UCC27324DR |
| 296-23486-2-ND、296-23486-1-ND、296-23486-6-ND | UCC27324QDRQ1 |
| 296-12533-5-ND | UCC27324P |
| UCC27324DGNRG4-ND | UCC27324DGNRG4 |
| UCC27324DRG4-ND | UCC27324DRG4 |
| 296-UCC27324PE4-ND | UCC27324PE4 |
| UCC27324PG4-ND | UCC27324PG4 |
| UCC27324DG4-ND | UCC27324DG4 |
| UCC27324DGNG4-ND | UCC27324DGNG4 |
| 296-12531-5-ND | UCC27324D |
| 296-12532-5-ND | UCC27324DGN |
| MIC4422AYM-TR-ND、MIC4422AYM-CT-ND、 MIC4422AYM-DKR-ND |
MIC4422AYM-TR |
| 576-1194-2-ND、576-1194-1-ND、576-1194-6-ND | MIC4422YM-TR |
| 576-1195-ND | MIC4422YN |
| 576-2321-ND | MIC4422ZT |
| 576-2318-ND | MIC4422AYM |
| 576-1793-5-ND | MIC4422ZM |
| 576-2320-ND | MIC4422ZN |
| MIC4422AZM-ND | MIC4422AZM |
| MIC4422ZM-TR-ND、MIC4422ZM-CT-ND、 MIC4422ZM-DKR-ND |
MIC4422ZM-TR |
| 576-2319-ND | MIC4422AYN |
| MIC4422AZN-ND | MIC4422AZN |
| 576-4475-5-ND | MIC4422YM |
| MIC4422AZT-ND | MIC4422AZT |
| MIC4422CM-TR-ND | MIC4422CM-TR |
| MIC4422ACM-TR-ND | MIC4422ACM-TR |
| MIC4422CM-ND | MIC4422CM |
| MIC4422ABM-TR-ND | MIC4422ABM-TR |
| MIC4422BM-ND | MIC4422BM |
| MIC4422ACM-ND | MIC4422ACM |
| MIC4422ABM-ND | MIC4422ABM |
| MIC4422AAM-TR-ND | MIC4422AAM-TR |
| MIC4422AAM-ND | MIC4422AAM |
| MIC4422AZM-TR-ND | MIC4422AZM-TR |
| MIC4422CTL2-ND | MIC4422CTL2 |
| MIC4422CTL3-ND | MIC4422CTL3 |
| 576-1522-2-ND、576-1522-1-ND、576-1522-6-ND | MIC4422BM TR |
| MIC4422BN-ND | MIC4422BN |
| MIC4422ABN-ND | MIC4422ABN |
| MIC4422ACN-ND | MIC4422ACN |
| MIC4422ACT-ND | MIC4422ACT |
| MIC4422CN-ND | MIC4422CN |
| MIC4422CT-ND | MIC4422CT |
| IRS2007STRPBFTR-ND、IRS2007STRPBFCT-ND、 IRS2007STRPBFDKR-ND |
IRS2007STRPBF |
| IRS2007SPBF-ND | IRS2007SPBF |
| 448-IRS2007MTRPBFAUMA1TR-ND、 448-IRS2007MTRPBFAUMA1CT-ND、 448-IRS2007MTRPBFAUMA1DKR-ND |
IRS2007MTRPBFAUMA1 |
| FAN73711MXTR-ND、2832-FAN73711MXTR-ND、 FAN73711MXCT-ND、 FAN73711MXDKR-ND |
FAN73711MX |
| FAN73711M-ND | FAN73711M |