第14回　スイッチICってなに？

 

皆さんこんにちは、日清紡マイクロデバイスの講師Sです。前回、前々回の2回で説明したリチウムイオン電池保護ICは、電源/GNDラインに挿入した外付けのMOSFETスイッチのON/OFFを制御して異常を検出すると、電池への充電電流または電池からの放電電流を遮断することで電池を保護するICでした。
今回は、電源ラインに挿入されて電源供給をON/OFFすると同時に電源ラインを保護するスイッチICについて紹介したいと思います。スイッチICは、リニアレギュレータやDC/DCコンバータのように電源電圧の制御機能はありませんが、電源ラインに挿入して使用しますので電源ICのひとつとして説明したいと思います。
ここでは「スイッチIC」と総称していますが、「パワースイッチ」、「パワーマネージメントスイッチ」など、メーカーごとで名称が異なっています。
なお、紙幅の関係で予定していたテーマの「複合電源IC」は次回に延期することになりました。次回が本講座の最終回となります。

スイッチICの概要と特性

電源ラインにスイッチICを挿入する目的は電源供給のON/OFFと電源ラインの保護です。
電源供給のON/OFFだけなら単品のディスクリートFETを使えば実現できます。スイッチをOFFからONに切り替えると入力側から出力側に短時間に大電流が流れスイッチの入力側では過渡的な電圧低下などの問題が生じてしまいますが、ディスクリートFETにはこのような問題を防止する機能はありません。
スイッチICにはこのような突入電流を防止するソフトスタート機能やその他あとでセクションを設けて詳しく説明しますが、過電流防止、過熱防止、低電圧誤動作防止など用途に合わせて様々な保護機能が搭載されています。

表1にスイッチICと単体ディスクリートFET、LDOの比較を示しています。

 

この表ではスイッチICとディスクリートFETの損失は同等ですが、FETを単体で使用する場合にはPchFETしか使用できないため、Nch-MOSを使用できるスイッチICに比べて損失面は劣ります。また、低電圧ではPchFETのON抵抗が上昇するため低電圧用途には不向きです。
ディスクリートFETは価格面で優位としていますが、スイッチICに搭載されている保護機能や性能をディスクリートで実現しようとした場合には大幅な価格アップとなり現実的ではありません。

ON状態では入力側の電圧がそのまま負荷デバイスにスイッチを経由して供給されるのが理想的なスイッチであり、スイッチ素子であるMOSトランジスタのON抵抗を極力低くする必要があります。そのためスイッチICではスイッチを構成するMOSトランジスタがチップ面積のほとんどの領域を占めることになります。

スイッチ素子にはPch-MOSが使われる場合とNch-MOSが使われる場合があります。以下にこの2つの素子の特徴を説明しておきます。
Pch-MOSは電荷キャリアがホールですので同じトランジスタサイズの場合Nch-MOSに比べてスイッチのON抵抗が2～3倍になります。スイッチのON/OFFはゲート電圧を0Vと入力電圧電位に切換えるだけで制御できますので、制御回路はシンプルで消費電流も低く抑えられます。
Nch-MOSは電荷キャリアが電子ですので同じトランジスタサイズの場合Pch-MOSに比べてスイッチのON抵抗が1/2～1/3の低さになります。
ただしNch-MOSをONさせるためにはMOSのゲートに入力電圧より高い電圧を印加する必要があるため昇圧回路としてチャージポンプが必須です。チャージポンプはコンデンサとクロック制御されたスイッチによって例えば入力電圧の2倍の電圧を生成する回路ですので、スイッチがONしている状態ではスイッチ動作によるダイナミック電流がながれるため消費電流が多くなります。

消費電流を優先するか、ON抵抗が低いことを優先かということがスイッチとしてPch-MOSを選ぶかNch-MOSを選ぶかのひとつの目安になります。
Pch-MOSとNch-MOSのスイッチの比較を表2に示します。

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スイッチICの種類と用途

スイッチICの種類と用途をイメージできるように、携帯機器での使用例を図1に示しています。スイッチICは大きくは以下の3種類に分類されます。システム機器の外部電源入力に挿入されて電源のON/OFFや複数の電源ソースの切換えを行なう外部電源スイッチ、システム機器内部で電源の分配などに使用されるロードスイッチ、外部のUSB機器へ電力を供給するUSBスイッチです。

 

ここでは、これらのスイッチICの特徴をイメージしやすいように単体ディスクリートICや、LDO、DC/DCコンバータなどのレギュレータで構成した場合などと比較して説明したいと思います。

(1) 外部電源スイッチ

スマートフォンやタブレットPCなどの携帯機器では、ACアダプタや、USBケーブルでの充電以外にWireless充電にも対応している製品もあり、それらの外部電源ソースの切換スイッチが必要です。また例えば誤って異常電圧のアダプタが接続されるなど、過電圧によってシステム内部が破壊される恐れがあります。そのため外部電源端子に異常電圧が印加された場合には外部電源端子からシステム内部への電源経路を遮断する必要があります。この機能をOVP ( Over Voltage Protection：過電圧保護)　機能といいます。このように外部電源ソースの切換とOVP機能を備えたスイッチが外部電源スイッチICです。
OVPは外部電源スイッチに特徴的な保護機能ですが、他にも低電圧誤動作防止、ソフトスタート、サーマルシャットダウン、逆流防止などの保護機能が搭載されています。
これらの保護機能については後でまとめて説明します。

システム機器のアダプタ端子やUSB端子などの外部コネクタ端子は外部環境にむき出しでさらされているため、サージなど、どのような異常電圧が印加されるかわかりません。そこで過渡的なサージ電圧に対する保護のため電圧サプレッサーを内蔵している製品もあります。
図2は携帯機器などリチウムイオン電池を搭載した機器の外部電源コネクタにスイッチICを使用しない場合と使用する場合を比較した図です。外部電源から充電回路を直結する例では外部電源から規格外の異常電圧が加わると、充電回路や負荷デバイスが破壊されることが容易に想像できます。また図のように外部電源から高耐圧VR(Voltage Regulator:電圧レギュレータ)とVD(Voltage Detector:電圧検出器)を使用してシステム内部へ電源供給することも可能ですが、VRの動作には入出力電位差が必要なため損失が生じます。また異常電圧によって入出力電位差が大きくなるとVRの損失による発熱が無視できなくなります。外部電源の過電圧を検出してVRをOFFすることで内部への過電圧の伝搬を防止するためにVDが追加されています。外部電源スイッチICはスイッチのON抵抗が小さく損失は抑えられます。また外部電の過電圧を検出してスイッチをOFFするOVP機能によって内部回路が保護されます。外部電源スイッチIC用途に最適化していますので個別の高耐圧VR＋VDを使用する場合に比較して低コストです。

(2) ロードスイッチ

ロードスイッチはLDOやDC/DCコンバータなど一定の電圧を供給する電源が複数の負荷デバイスに電源を供給する場合に、それぞれの負荷デバイスへの電源供給を個別にON/OFFするために電圧源と負荷デバイス間に挿入するスイッチです。
このような電源分配を単体のディスクリートFETやリニアレギュレータ、とDC/DCコンバータを使用する場合とロードスイッチを使う場合を比較したのが図3です。

単体のディスクリートFETでは抵抗Rと容量Cを外付けすることでFETのON/OFFを鈍らせてソフトスタート機能を代用していますが最適とはいえず、またそれ以外の保護機能もありません。負荷デバイス分のDC/DCコンバータを用意する方法もありますが、外付けコイル、容量などの部品点数が非常に多くなります。また少し高めの電圧をDC/DCコンバータなどで生成し、LDOで分配する方法が考えられますが、LDOは一定の入出力電圧差が必要なため損失が発生します。ロードスイッチICはスイッチのON抵抗が小さく入出力の電位差がなく損失は抑えられます。ソフトスタート機能が内蔵されているため、それぞれのスイッチのON時に入力側の電源ラインの変動が抑えられ誤動作が防止できます。また負荷側に短絡が発生しても過電流保護によって入力側の電源ラインへの影響を抑えることができます。

(3) USBハイサイドスイッチ

システム外部のUSB機器にUSBケーブルを介して電源供給する用途に使用されるのがUSBハイサイドスイッチ、または略してUSBスイッチです。USBスイッチには主に2つの機能があります。一つはUSB ホストコントローラなどからのイネーブル信号を受けて、USB電源ラインをON/OFFする機能です。ON時にはあとで述べるソフトスタート機能により、突入電流を抑えながらUSB電源ラインをONさせます。もう一つは異常過熱に対する保護に加え、過電流を検知すると一定の電流以上にはならないように電流を制限するか、スイッチをOFFしてUSB電源ラインを遮断して保護する機能です。図4はUSBラインのスイッチとしてディスクリートFETやポリスイッチを使用する場合とUSBスイッチICを使用する場合の例を比較しています。

ポリスイッチは導電性ポリマーを電極で挟んだ構造の抵抗素子ですが、導電性ポリマーに電流がながれることで温度が上昇してある温度を超えると抵抗値が0.1Ω以下から数10k～数MΩの非線形に変化するのが特徴です。この特徴を生かして過電流保護をおこなっていますが、過電流による温度上昇に秒単位の時間が必要なこと、発熱を生じないレベルの過電流には適用できないなどの課題があります。単体ディスクリートFETには過電流保護機能がなくポリスイッチでもUSB電源ラインの保護としては実用的ではありません。これに対して、USBスイッチICはUSBライン用に最適化しており、過電流に対しても高速に応答が可能であり電流制限値も高精度に設定可能です。過電流や過熱状態をFLAG信号でUSBホストコントローラに伝えることでUSBホストコントローラによってスイッチのON/OFFが可能です。

 

スイッチICの保護機能

先に述べたようにスイッチICを使う目的の一つに電源ラインの保護が挙げられます。スイッチICは用途に合わせて様々な種類が製品化されており、用途によって搭載される保護機能も様々です。ここではスイッチICに搭載される保護機能についてまとめて説明したいと思います。

(1) ソフトスタート

スイッチがOFFの状態のときにスイッチの出力側の容量に蓄積された電荷がゼロで電圧が0Vの場合を想定します。スイッチがOFFからONに切換わった瞬間には出力が短絡したのと同じ電流が流れるなど、出力側の容量を充電するために入力側から出力側に短時間に大電流が流れます。この瞬間的な大電流を突入電流と呼びます。突入電流によってスイッチの入力側では過渡的に大きな電圧低下が生じて、同じ供給源の電源を使っている他のデバイスの動作に影響する可能性があります。この突入電流を防止するのがソフトスタート機能です。
図5はソフトスタート機能を搭載したスイッチICのOFFからON時の出力電圧波形とスイッチを流れる電流波形の一例を示しています。ソフトスタート機能によって出力電圧は緩やかに変化しスイッチを流れる電流も頭打ちして抑えられていることがわかります。これはスイッチを構成するMOSトランジスタのゲート電圧を制御してスイッチのON抵抗を抵抗値∞からほぼ0Ωに徐々に緩やかに下げることで実現しています。

(2) UVLO ( 低電圧誤動作防止機能 )

スイッチICのON/OFF制御回路や保護回路などに必要な電源はスイッチICの入力側電源から供給されています。これらの制御回路が正常に動作するためには一定以上の電源電圧が必要です。そのため入力電源の電圧を監視して設定電圧以下になると制御回路をディスエイブル（停止状態）にして誤動作を防止します。これをUVLO ( Under Voltage Lock Out ：低電圧誤動作防止) と言います。UVLOは本講座の第10回、電電源監視ICで説明したリセットICが内蔵されているようなものです。

(3) OVP（過電圧保護機能）

OVP ( Over Voltage Protection )は主に、外部電源スイッチに搭載される過電圧保護機能です。ACアダプタ、USBコネクタなどシステム機器の電源入力部に、例えば誤って異常電圧のアダプタが接続されるなど、過電圧によってシステム内部が破壊される恐れがあります。外部電源端子電圧がOVP設定電圧を超えるとスイッチがOFFして機器内部へ過電圧が入力されることを防止します。過電圧状態が解消されるとスイッチはON状態に復帰します。
OVPは、低電圧を監視するUVLOとは逆に過電圧を監視する電源監視ICが内蔵されていることになります。

(4) 過電流保護

スイッチの出力が短絡するなど、何らかの異常によって想定外の大電流が流れると、スイッチの破壊や、スイッチ入力側の電源供給元の動作に影響を与える可能性があります。
そこでスイッチに流れる電流を監視して過電流を検出すると、スイッチに流れる電流をある一定電流に制限する過電流制限機能を搭載しています。
図6に過電流制限機能の特性例を示しています。この特性例では短絡状態によって2段階の電流制限がおこなわれており、スイッチ出力の電圧がGND電位に近くなるとさらに電流が絞られていることがわかります。本講座の第3回で説明したリニアレギュレータの過電流/短絡保護特性と同様、「フの字」特性を示しています。
この例では過電流を検出するとスイッチに流れる電流を制限する保護を説明しましたが、過電流を検出するとスイッチをOFFする保護方式もあります。

(5) 過熱保護（サーマルシャットダウン）

スイッチICの出力端子がGNDと短絡するような異常が発生した場合には、過電流保護機能によって出力電流が制限されますが、その状態が続くと、スイッチを構成するMOSトランジスタのON抵抗とそこに流れる電流によって発熱し、チップ温度が許容されるジャンクション温度を超えてチップが破壊する可能性があります。そこでチップ温度を監視して規定の温度に達するとスイッチをOFFさせるのがサーマルシャットダウンと呼ばれる過熱保護機能です。温度監視はダイオードの順方向電圧の温度特性（-2mV/℃）を温度計として利用しています。ダイオードの順方向電圧が過熱状態のチップ温度に相当する電圧まで低下するとスイッチをOFFさせる図7のような回路が搭載されています。

(6) 逆流防止機能

スイッチに使われるMOSトランジスタには寄生ダイオードがあるためスイッチがOFF状態で入力から出力に電流が流れないように寄生ダイオードの向きはアノードが出力側、カソードが入力側となります
ところが異なる電圧の2つの電源をこのようなスイッチで切換えて負荷デバイスに供給するような場合には、電圧の低い電源側のスイッチではスイッチをOFFしても寄生ダイオードを経由してスイッチの出力側から入力側に電流が逆流するという問題が生じます。
ここでは、メカニズムの説明は省略しますが、このような電流の逆流を防止するのが逆流保護機能です。

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おわりに

今回は電源ラインに挿入して、単に電源供給をON/OFFするだけでなく、突入電流を抑制するソフトスタート機能や過電流制限機能による誤動作の防止、外部からの過電圧に対する保護機能を搭載することでシステム内部を保護するなど、単体のディスクリート製品のFETでは実現できない機能、特性を実現することができるスイッチICについて説明してきました。
スイッチICは用途に合わせて様々な種類が製品化されており、前回まで説明してきたリニアレギュレータやDC/DCコンバータなどの電源ICに、これらのスイッチICが加わることで、より最適な電源システムの構築が可能になります。
さて、本講座では、これまでリニアレギュレータやDC/DCコンバータなど、デバイスが必要とする電源を供給する電源IC、またそれらの電源電圧を監視する電源監視ICなど、ワンチップにひとつの機能が搭載された電源ICについて説明してきました。このような単一機能の電源IC以外に同一の電源供給機能をワンチップに複数搭載したマルチチャネル電源や、電源を供給するICと電源監視ICをワンチップに搭載した複合電源IC、またアプリケーションプロセッサーに電源を供給するためにリニアレギュレータやDC/DCコンバータ、電源監視ICなどがワンチップに複数搭載され、さらに各電源の起動シーケンスなどの制御回路やリチウムイオン電池の充電制御回路などがシリアルインターフェールを介してアプリケーションプロセッサーで制御可能なPMIC（Power Management IC）と呼ばれる大規模な複合電源ICが製品化されています。次回、本講座の最終回ではこのような複合電源ICについて紹介したいと思います。

最後まで読んでいただきありがとうございました。

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