システム電源サイクル用ハイサイドMOSFET入力スイッチの選択肢

電源サイクルは、特に遠隔地に配備されるバッテリを電源とする電子アプリケーションの連続動作を保証する上で極めて重要な役割を果たします。電源の切断と再接続は、停止状態が続いたり、ハングアップして応答しなくなったシステムをリセットすることができます。電源サイクルの効果的で広く使われている手法の1つは、監視回路のアクティブロー出力を使用してハイサイドMOSFET入力スイッチを駆動することです。

電圧監視や監視回路は、論理レベル出力にアクティブローとアクティブハイの2つの選択肢を提供できます。これは、プッシュプル出力またはプルアップ抵抗付きのオープンドレイン出力のいずれにも適用されます。

• アクティブローでは、入力条件が成立すると出力がローになり、入力条件が成立しないとハイになります。
• アクティブハイでは、入力条件が成立すると出力がハイになり、入力条件が成立しないとローになります。

監視回路は、電源電圧を監視するか、ウォッチドッグタイマを使って非アクティブを検出するか、あるいはその両方によって、システムの動作状況を監視します。これらの安全対策が問題を検出すると、電源サイクルにより電源供給と下流システム間の経路を開き、その後閉じられることで、マイクロコントローラユニット（MCU）はリセットプロセスに入ります。回路（図1）のハイサイド側にある入力スイッチは、下流の電子システムへの電源供給を制御するために使用されます。

しかし、適切なコンポーネントを選択し、電源サイクルプロセスに起因する発熱やスイッチングノイズなどの潜在的な課題に対処することが極めて重要です。

図1：ブラウンアウト時のエラーから下流の電子システムを保護するためにハイサイドスイッチを使用したアプリケーション回路。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

しかし、適切なコンポーネントを選択し、電源サイクルプロセスに起因する発熱やスイッチングノイズなどの潜在的な課題に対処することが極めて重要です。

ハイサイドパワースイッチ

電源サイクルは、ワイヤレストランシーバ、医療デバイス、スマートホームデバイス、電源、民生用電子機器など、システムの信頼性を向上させ、潜在的な損傷を軽減するために、さまざまなアプリケーションで使用することができます。

金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、オン抵抗が低く、スイッチング速度が速く、入力インピーダンスが高いため、電源サイクルに広く使用されています。

監視回路からの出力はMOSFETのゲートを制御することができ、効果的にMOSFETをオンまたはオフして電源を循環させることができます。この方法では、システムが応答しない状態からリセットして回復させることができるため、最適なシステムの信頼性を保証できます。

このアプローチをとる開発者には、NチャンネルMOSFETまたはPチャンネルMOSFETを使用する選択肢がありますが、NチャンネルMOSFETに比べてオンとオフに必要な条件や回路が簡素化できるPチャンネルの方が好まれます。

PチャンネルMOSFETの場合、ゲート電圧がソース電圧より低くないとオンしませんが、NチャンネルMOSFETの場合、ゲート電圧がソース電圧より高くないとオンしません。

NチャネルMOSFETをハイサイド入力スイッチとして使用する場合、ゲート電圧が低いとスイッチが開き、電源が遮断されます。一般にNチャネルMOSFETの方が効率と性能は優れていますが、この場合、スイッチが完全に電源を再接続するために、正のゲート-ソース間電圧（V_GS）を生成するチャージポンプなどの追加回路が必要になります。

PチャンネルMOSFETを使用する場合、負のV_GSでオンできるため、このような追加回路は不要となり、アプリケーションの設計が簡素化されますが、そのトレードオフとしてオン抵抗が高くなり、効率が低下します。

Pチャンネルハイサイドスイッチの実装

Pチャンネルアプローチでは、MOSFETを制御するためのゲート - ソース間電圧は、ソースからドレインへ電流を流すために、少なくともゲート - ソース間しきい値電圧V_GS(th)だけ電源より低くなければなりません。もう1つの考慮点は、デバイスが損傷しないように、ドレイン - ソース間電圧（V_DS）が規定の範囲内で動作するようにすることです。

アクティブローの監視回路出力がPチャンネルMOSFETのゲートに接続されている場合、指定された閾値を超えるとOUTピンがゲートをローに引き下げ、電源電圧から負荷への接続をアクティブにします。電圧が閾値を下回るとOUTピンがハイになり、PチャンネルMOSFETがオフになり、負荷が電源から切り離されます。

開発者は、デバイスのOUTピンをPチャンネルMOSFETのゲートに直接接続することで、非常に効果的な過電圧保護回路を作ることができます。この堅牢なアプローチでは、Analog Devices, Inc.,の電源管理IC MAX16052（図2）のハイサイドスイッチとしてPチャンネルMOSFETを使用することで、負荷が確実に電源電圧に接続されるようになっています。

図2：過電圧保護用のハイサイドスイッチとして使用されるPチャンネルMOSFET。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

監視電圧とPチャンネルMOSFETのゲート間の外部プルアップ抵抗は、オープンドレインOUTピンがハイインピーダンス状態の時、ゲートをハイに保持します。OUTピンは、監視電圧が閾値を超えるとハイインピーダンス状態になり、PチャンネルMOSFETをオフにし、負荷を電源電圧から切り離します。逆に、監視電圧が閾値を下回るとOUTピンはゲートピンをローにします。

MAX16052は、ADIのMAX16053とともに、シーケンス機能を備えた小型、低消費電力、高電圧監視回路のラインアップを構成し、いずれもコンパクトな6ピンSOT23パッケージで提供されます。MAX16052はアクティブハイのオープンドレイン出力で、MAX16053はアクティブハイのプッシュプル出力です。どちらも0.5Vまでの入力に対して調整可能な電圧監視を提供し、内部で0.5Vに固定された閾値を持つハイインピーダンス入力（IN）を使用して電圧監視を実行します。

ウォッチドッグタイマの使用

ウォッチドッグタイマ（WDT）は監視条件が成立した際に、出力信号が低い場合、監視回路の保護機能を強化することができます。そのような状況下では、ウォッチドッグタイマは、ウォッチドッグタイムアウト（t_WD）と呼ばれる一定時間のパルスまたは遷移がないことを検知し、マイクロコントローラのリセットを起動したり、電源サイクルを開始することができます。

ADIのウォッチドッグタイマ付きMAX16155 nanoPower監視回路ICは、正電源電圧（V_CC）がリセット閾値未満であっても最低動作電圧を超えるとリセット信号を出力します。2つのWDT（図3）を使用するアプリケーシ ョ ンでは、32秒間動作しないとマイクロコントロー ラのソフトリセットが有効になり 、128秒間動作しないとシステムの電源サイクルが有効にな ります。

図 3：この構成では、ウォッチドッグタイマ1がソフトリセットを起動し、ウォッチドッグタイマ2がシステム電源サイクルを開始します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

Pチャンネルハイサイドスイッチを駆動する1つの方法として、NPNバイポーラ接合トランジスタ（BJT）をインバータとして使用し、NPNトランジスタをオフにするウォッチドッグ出力からのロー信号を、プルアップ抵抗を介してPチャンネルMOSFETをオフにするハイ信号に変換することです。（図4）。システムがアクティブになると、ウォッチドッグ出力（WDO）はハイになり、その信号を抵抗を介してNPNトランジスタのベースに送り、それをオンにします。

図4：NPNバイポーラ接合トランジスタ（Q1）がPチャンネルMOSFET（Q2）を駆動します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

MOSFETのゲートとソースに接続された抵抗分圧器がV_GSを制御します。NPNトランジスタがオンになると、分圧抵抗器をローに引き下げ、ゲート電圧をソース電圧より低くして、PチャンネルMOSFETをオンにしてシステムに電源を供給します。

マイクロプロセッサが応答しなくなったり、MAX16155ウォッチドッグタイマの予め定義されたタイムアウト期間内に入力パルスを送信できなかった場合、ウォッチドッグタイムアウトイベントが発生し、WDOピンがローにアサートされます。この動作により、NPNのベースがグランドまで引き下げられるため、オフになります。NPNトランジスタがオフのとき、PチャンネルMOSFETのゲートとソースの電圧は同じになり、MOSFETをオフにしてマイクロプロセッサへの電源供給を遮断します。

ウォッチドッグタイマのWDO出力がハイに戻ると、システムは通常動作を再開します。その後、マイクロプロセッサはWDIピンに定期的なパルスを送り、それ以上のタイムアウトを防ぎます。NPNトランジスタがオンになり、ハイサイドMOSFETがオン状態を保持し、マイクロプロセッサへの継続的な電源供給が行われます。

バイポーラ接合トランジスタは低コストであるため、Pチャンネルハイサイドスイッチの設計には有利ですが、抵抗器などの外部部品を追加して適切なチューニングを行う必要があります。

NチャネルMOSFETを使用した駆動回路

ハイサイドPチャンネルMOSFETを制御するためにNチャンネルMOSFETを使用すると、バイポーラトランジスタに比べていくつかの利点があります。

NチャンネルMOSFETはオン抵抗が低く、電力損失を低減し、効率を高めます。また、切り替えが速いため、システムの応答時間が向上します。スイッチング損失が低く、より高い周波数で動作できるため、バッテリ駆動機器のようなエネルギー効率の高いアプリケーションに最適です。また、BJTに比べてゲート駆動するのに必要な条件が低いため、駆動回路を簡素化でき、部品点数を削減できます。

ウォッチドッグ出力は、NチャンネルMOSFETのゲートを直接制御できます。WDOのプルアップ電圧は、MOSFET のゲート閾値電圧（V_GS(th)）と一致しなければ正しく動作しません。システムがアクティブになると、高いWDO信号がNチャンネルMOSFET（図5のQ1）をオンにし、次にPチャンネルMOSFET（図5のQ2）をオンにしてシステムに電源を供給します。システムが非アクティブ状態になると、WDO信号がローになり、Q1がオフになり、それがQ2をオフにして電源を遮断します。

図5：PチャンネルMOSFET（Q2）を駆動するNチャンネルMOSFET（Q1）。（画像提供：Analog Devices Inc.）

まとめ

ハイサイドスイッチの駆動にNチャネルまたはPチャネルMOSFETを使用することは、システムの電源サイクルに対して信頼性の高い方法です。NPNバイポーラトランジスタと追加部品を使用するPチャンネルアプローチはコストを低く抑えられ、多少コストのかかるNチャンネルアプローチは高周波スイッチングに適しています。開発者の設計の好みとアプリケーションの要件が、最適なアプローチを決定します。