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| Nch MosFET high side switch ローコストに12V大電力電子リレーを実現します |
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| 新規2014/10/10 最終更新2023/02/23 モニター販売コーナー |
Nch Mos FＥＴ ハイサイドスイッチとは
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| ★開発初期の頃の NchFETリレー | |
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1号機 2016/04/25 廃版 試作で何ら問題がなかったので基板を作成しました。 3ｍｍアルミ板に取付。12V15A程度では発熱はほとんどない。 待機電流はほぼゼロ オン時の回路消費電流1mA以下。 555タイマーICで発振し昇圧しゲートをドライブするものです。 12V車載機器用のリレー代替として使用していました。 |
| ★TO220タイプ Rev02 大電力ノイズ耐性強化 | |
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★TO220外付タイプ FETRY_Rev02 TO-220外付タイプPWB 35*48 待機電流ほぼゼロ、動作電流6mA、TO-220タイプ IRLB3813PBF 2個用 コントロールレベル5V-12V、パルス性ノイズ耐性アップ 20A流すと1.6Wの熱損失となる。(2個直列でRds3.2mΩ) 逆流防止が不要ならＦＥＴは1個で済み倍流すことも出来ます。 |
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TO-220外付タイプ完成基板 57*60 基板金具ワッシャ付ネジ式端子台採用。大電流では入出力端子の過熱も問題となる。圧着丸端子で相応のケーブルが必要です。並列接続による大電流化も可能。 主要部品はNE555D 2SC2712*2 IRLB3813PBF*2 IRLB3034PBFでの実測 入出力端子間オン抵抗は4ｍΩ オン時の駆動電流は1ｍA程度。 |
| ★TO220タイプ Rev02 大電力ノイズ耐性強化 基板内サンドイッチ構造 | |
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★TO220基板サンドイッチタイプ FETRY_Rev02 TO-220基板サンドイッチタイプ 47*49 FETは基板直下取付でアルミ板とサンドイッチとする。To220タイプが使用出来る。3813,3034など |
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サンドイッチタイプ完成基板 47*49 20Aでも温度上昇は40℃（周囲温度23℃時）IRLB3813PBF*2入出力入出力端子間0.1Vの電圧ドロップとなった。2Wの損失はPWBとアルミ板に放熱させる。ジュラコンスペーサーは5ｍｍ。FET下にマック8スペーサーを入れる。中央部の3φビスにて均等に圧接する。取付の為にはネジ穴が無い為4隅のネジを長いものに変更する。 |
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★D2Pak7Pin基板サンドイッチタイプ FETをD2Pak7Pinを採用したものです。49.5*49.5 IRF1324STRLを2個使用します。ドレインは基板に直接半田付けするタイプです。(半田面表面実装) 超低オン抵抗なので20A程度までは放熱不要です。上記と同様にアルミ板にサンドイッチ放熱を追加も可能です。 |
| パワー半導体の入手が難しくなり、価格も高騰しています。入手状況に応じてPWBの設計変更を余儀なくされています。アルミ板も2倍に。 | |
| ★LFPAK版FETリレー ハイサイドスイッチ | |
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FETRY_REV04 LFPAK FET2個使用20A（抵抗負荷）仕様 LFPAK FETを基板半田面に実装採用する小型PWB PSMN0R9-25YLD(0.9mΩ)300A 238W 0.9mΩを使用すると損失は20A用で0.36Ｗ。ランド面積を多く、銅板0.3㎜を使用し放熱とする。銅板を曲げ折り返すと放熱効果が増す。 FETは逆流防止不要なら1個で良よい。 |
| 完成基板（画像は試作旧タイプです） LFPAK-FETは555ICと大きさがほぼ同じです。オン抵抗の小さいものを使用すると放熱不要ですが、画像は0.3ｍｍ銅板を接着、さらに折り返して放熱フィンとしました。FETは逆流防止不要なら1個。 小型で使い易いいリレー代用サイズ31*43。Ｈ5mm程度のスペーサーで簡単取付 |
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| ★LFPAK版FETリレー ハイサイドスイッチ 大電力版 マイコン対応版 | |
| ★超低オン抵抗LFPAKFETを贅沢に4個使用し放熱不要としました。同時に端子許容電流を増加させる為複数分割します。2021年後期くらいからこの最新LFPAK版のFETが高騰しまた豊富にあった種類もほぼ全て入手出来なくなりました。モニタ販売は在庫限りで終了です。 | |
 FETRY_LFPAK FET4個使用 555版 40Aタイプ(抵抗負荷) 40A仕様では上記同様PSMN0R9-25YLDを4個。計算上1個当たり0.4Ｗ以下の損失となる。プリント銅箔抵抗はランドに0.3mm銅板配線とする。アルミ板ベースは不要とする。端子は20A仕様なので2個並列とする。 |
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| 完成基板 49*49（画像はオペアンプ版試作動作確認のみ） 2020/3/20 PWB新基板で試作が完成しました。 NE555のVdd取り方により、待機電流、起動の問題を解決し、コントロール端子は5V-15Vでマイコン制御も可能。安価なバイポーラIC NE555Dでは動作電流はCmosより大きい(3mA)ですが回路の工夫により待機電流はほぼゼロです。動作電流が少ないTLC555CDRも使用可能です。NchFETは用途、電流に合わせて1個2個4個実装する。逆流防止不要なら右側は不要である。端子は2個並列で約容量アップが可能。入出力端子間電圧見るとデータシートに近いオン抵抗が測定可能です。 |
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2020/3/20 ＮchFETリレーTRSW TLC555CDR版 試作オンオフ波形 待機電流はCmos TLC555CDRは 180uA バイポーラSE555Dも同じ(バイアス電流) オン無負荷動作電流 Cmos555 1.0mA バイポーラIC 7mALDE含む オン時ゲート電圧は23.0Ｖオフ時は0.0Ｖ |
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回路解説後記： Nch FETハイサイドスイッチはドライブ回路形成にタイマーIC、オペアンプIC、コンパレータICでも発振回路が可能で、昇圧整流によってゲートドライブします。試作を重ねましたがやはり、バイポーラIC SE555Dが安定動作してくれます。 555汎用ICは多くの種類、セカンドソースがあり、最適動作を得るにはコンデンサの使い方、動作電圧など微妙に異なります。CmosのTLC555CDRは注意が必要です。ゲート電圧のダイレクトオンオフではCmosの静電破壊、パルス性ノイズ破壊などもあります。バイパス？コンデンサの使い方も一律には行きません。負荷状況によっては昇圧回路を形成してしまう事もあり耐圧オーバーによる破壊もあります。 信頼性、故障耐性を重視するとIC以外にも懸念はあります。汎用で使用される動作条件は様々です。試作ロードテストではICが瞬時破壊する事もありました。負荷の条件次第でユニットが昇圧回路を形成し、高電圧パルスノイズによるIC破壊するケースもあります。 最終回路では負荷からのパルス性ノイズフィルター効果があります。ゲートオンオフも初期のTRスイッチとし確実性を取りました。555ICのVCCの取り方、起動接続にも工夫があり、IC保護、誤動作防止にもなっています。待機電流、動作電流にも低レベルに収まりました。 故障パターン例と注意事項 ① オンしない 入出力ショートによる回路オープンなどが考えられます。 ② オフ出来ない この故障はFETが破壊D-S間ショートです。バイアス不足、過負荷などが原因として考えられます。 入出力ショートを停止するにはヒューズを抜く、又は端子接続を切り離さなければオフできません。 緊急時問題となる場合は手動スイッチブレーカーの設置を考慮して下さい。 過電流制御が必要な場合は別途追加設置する事。 ③ 設置状況、環境等が原因で故障する可能性もあり、 本回路で外部要因と思われる故障があれば原因が解決されなければ使用を中止して下さい。 使用例 ① 大容量ACCソケットの増設,12V機器のオン-オフなどに使用します。 ACCと連動する場合はCtrl端子にACC12Ｖを接続します。 電子機器のオンオフなら逆流防止は不要で倍の電力を扱えます。 ② 負荷機器をオンオフする（メインＳＷにも）場合はCtrl端子にスイッチを介して入力端子に5V～12V接続して使用します。 リレーの代替に。リレーの様な励磁電流（無負荷消費電流）はSE555Dの場合3mA程度です。。 ③ 大容量化は基板の並列接続で電力分散され安全面でも有利と思います。 ④ 操作パネルは小容量のデザインスイッチを使い、バッテリー近辺で大容量配線が可能になります。回路別に複数個使用する。 注意1；導通、非導通リレー接点としての使用はできません。間違いの条件によってはFETは破壊します。 ハイサイドスイッチ(ロードスイッチ)での使用に限ります。コントロール電圧は12V～5V（TRSW付） 注意2；ここでいう逆流防止とはFET内寄生ダイオードによる逆流を防止する為FETを逆向きに直列に追加する回路です。下記に記載する大電流ACCソケット増設などに使用する場合は逆流防止は不要です。損失はFET1個だけになります。 注意3：20A、40Aとしている負荷許容値は抵抗負荷が条件です。誘導性、容量性負荷では極端に許容電流が低下します。並列接続するなど余裕を持ってください。考慮していません。簡単に作れるローサイドSWが適している場合があります。 |
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| ★ACCシガーソケットの増設例 | |
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大容量が取れるシガーソケットの増設例です。 湯沸かしポットなどヒーター類は車両に装備されたACCシガーソケットでは容量不足でヒューズが飛んだり、シガソケットが溶けて変形するなどのトラブルが発生します。 図は簡易的電源取出しで10A程度まで。大容量ではバッテリから取る等変更してください。配線は2～3.5SQ程度。SWを入れる場合はコントロール端子です。ケースに入れるとか自車に合わせて取付出来ます。 パネル取付タイプシガーソケット ←参考例です 電源取出しアダプター ←参考例です |
| ★起動スイッチをワイヤレスとする | |
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ワイヤレスリレーにも。 ACC端子に5V～12Vを印加するとFETハイサイドスイッチは起動します。マイコン制御も可能。起動スイッチの設置場所に困るとか、2箇所以上でオンオフ操作したい場合もあります。 この様な時、3路スイッチ配線したりしますが、配線が増加せず電圧降下も低下し、大容量SWが可能。ワイヤレス操作とすれば運転席に居ても車外からでもオンオフ操作が出来ます。 この中華製無線ワイヤレスはモメンタリモード、オルタネートモード、チャンネルも1～4ｃｈと多種多様です。大半は左図の様なモジュールで販売されています。【何時でもパワーウィンドウ】でも使ってみました。 注：オン時リレー駆動電流が加算されます。（） |
| ★メインスイッチとしては並列接続でパワーアップ | |
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入出力のスイッチとして使用 インバータ内蔵SWが制御用ならパネルなどに取り出して使用する方が良い場合もあるので使用するインバータを良く調べる事。 インバータは100W程度の物でも無負荷電流が0.2A程度もあります。インバータを使用する時のメインSWを設置しておけばサブバッテリーうっかり上がりを防止できます。インバータのW数表示は消費電力表示でない事に注意。 ”FETSWは単なる導通非導通SWでない事に注意” IN端子に12Ｖが印加される必要がある。 |
| ★5極リレー相当とする・ソーラー充電2個バッテリ切替スイッチ | |
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ソーラー充電をサブバッテリ、メインバッテリに切替。5極リレーの代替 Ｄ１,R1はチャージャー起動用。 コントロールスイッチSW1を3点スイッチにするとオン・オフ・オンの切替が可能となります。基板内蔵LEDは動作中の基板が発光表示します。NFETSWはFET左右対の回路。 図の事例では消費電流はNFETリレーは7mA程度(LED込み、ソーラージャーは消費電流は20mA強でした。10A程度では発熱もなく大幅省エネです。 |
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仮設テスト中。 従来はソーラー用のMC4コネクター接続で手動差替えしていました。 故障パターンを予測すると過負荷等によるFETがDS間ショート破壊パターンが考えられます。その場合バッテリー間導通となり大電流が流れる可能性もあります。それぞれに必要最小容量のヒューズを入れておく |
| 後書き 今回のディスクリートドライブ回路では良い事ばかりではありません。意外な異常動作も見られました。試作テスト検証段階では切替時の異常振動、リンギング発生によるFETやCmosICが破壊する事もありました。線路インダクタンスにより昇圧回路を形成することまで考慮しなければ成りません。回路構成はその対策に工夫を重ねたものですが、完璧ではありません。ゲートドライバICやフォトドライバーを使用したものより勝るという訳ではありません。限定的な用途では充分な性能を発揮します。用途によって選択する事、突入電流やスパイクノイズにも注意、配慮が必要です。しかし汎用の市販製品は皆無に近いのは何故なのか疑問に思います。（オムロン、パナ製でフォトIC駆動など産業用途では存在する） 採用しているN-FETパワ素子は近年、価格が高騰し、入手難となっています。入手可能な素子を使用するしかありませんが特にハイパワ-程高騰しています。 |
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| 月の花さんがみんカラ で使用例を紹介して頂きました。 ポータブル冷蔵庫などの負荷 ジルとうなぎさんのブログ で使用例を紹介して頂きました。 並列接続でパワーアップ Nchハイサイドスイッチ回路を使った高機能バッテリ自動切替器MS-PSW を開発しました。 |
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| 部品表：TO220版 NE555D 1N4148W 3個 2SC2712 2個 TSMN0R9-25YLD IRLB3034PBF 2個 TK100A06N1←絶縁不要 絶縁シリコンゴムシート2枚 h5mmジュラコンスペーサー4個 チップ抵抗は全て0805 Ｃ２ 1000pF（102） Ｃ３、Ｃ４ 0.1uF ジュラコン丸ネジなしスペーサー4個 3ｍｍ厚アルミ板60*60ｍｍ φ3ｍｍステン15ｍｍビス 3ｍｍステンナット６個 基板用ネジ端子632F |
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