スイッチICって何かメリットがあるんですか？

今回はスイッチICって何なのか、メリットって何なの？どんな種類があるの？という、お話です。

ある日、ベテラン社員の先輩Aさんのところに、入社3年目の新人B君が、怪訝そうな顔してやってきました……

教えて先輩！シリーズ　第９回

kouhai_man_gimon 新人B
A先輩、先輩、スイッチICってありますよね。あれって何のメリットがあるのかよくわからないんですけど。

senpai_man_egao 先輩A
えっ？何？スイッチICの設計者にケンカ売ってるのか？(笑)

kouhai_man_yorokobi 新人B
いや、素直にわからないんです。だって、リニアレギュレータ(ボルテージレギュレータ、LDOレギュレータ)を使ったり、スイッチングレギュレータ(DC/DCコンバータ)を使えば済むわけですよね。確かに価格は安いですが、コストメリット以外無いように思えるんです。安かろう悪かろう、みたいな。

senpai_man_egao 先輩A
おいおい。コストメリットは大事だろ。1円単位の地道なコストダウンが……

kouhai_man_gimon 新人B
そうなんですけど。例えば、スイッチングレギュレータはリニアレギュレータに比べて価格は高いですけど高効率で熱設計にも余裕、ってメリットがありますよね。逆にリニアレギュレータは価格が安いだけでなくスイッチングノイズがない、とかインダクタがいらないので周辺部品点数が少ないというメリットがあるじゃないですか。スイッチICにもそういうメリットが無いのかと思ったんですよ。

senpai_man_egao 先輩A
なるほど。そういうことか。もちろん、スイッチICのメリットはコストだけではないよ。例えば、リニアレギュレータに対してだと入出力のコンデンサが不要なケースが多いから周辺部品点数が少ないというメリットがある。それにレギュレーション機能が無いから入出力電圧差が無い。だから、電圧のドロップによる発熱の心配もないよね。回路もシンプルだからチップサイズも小さいし放熱の必要もないからパッケージも小さくできるわけさ。

スイッチICのメリット
・周辺部品点数が少ない（リニアレギュレータと比べて）
・レギュレーション機能が無いから入出力電圧差が少ない＝電圧ドロップによる発熱が少ない
・回路がシンプルなのでチップサイズが小さい＝コストが安い
・パッケージが小さい（回路が小さく、また放熱の必要がないから）

スイッチICのメリットはスペースメリットと熱設計の容易さ!

kouhai_man_odoroki 新人B
なるほど。リニアレギュレータ、スイッチングレギュレータ、スイッチICの3つを比べるとコストメリットはもちろんですが、基板のスペースメリットや熱設計面のメリットが大きいわけですね。

senpai_man_egao 先輩A
もちろん、電圧変換ができないという見劣りする点もあるけどね。でも、スイッチICにはソフトスタート回路が搭載されていて突入電流に対する保護ができたり、過電流保護回路が入っていたり、逆流防止回路が入っていたりと保護回路が充実しているので従来のFETを使ったディスクリートのスイッチ回路とは違うんだよ。あっ、サーマルシャットダウン回路が入っているものもあるよね。

kouhai_man_egao 新人B
従来のっていうのは単にPch. FETでON/OFFするだけの回路ってことですよね？

senpai_man_egao 先輩A
そうそう。スイッチICって元々はそれだからね。どんな種類があるかも含めてちょっと説明しようか。

kouhai_man_egao 新人B
お願いします。

ロードスイッチIC

senpai_man_egao 先輩A
まずはロードスイッチかな。使う場所はリニアレギュレータやスイッチングレギュレータと同じく負荷の手前だよね。ただ、レギュレーション機能がないから電圧変換ができない。だからスイッチングレギュレータ(DC/DCコンバータ)の後段で分配するなどの用途に使うんだよね。ON/OFF機能付きのテーブルタップを考えれば良いかな。大もとの電源から引っ張ってコンセントの口数だけ分配する、そして、使わない時はOFFにするわけだよ。レギュレーション機能がないけどオン抵抗の小さいものを選べば電圧のドロップもほとんどないわけさ。もちろん、保護回路はちゃんとあるから安心だよ。さっきも言ったけど、リニアレギュレータは電圧ドロップが大きい場合には放熱が大きくて熱設計が大変だけどスイッチICにはそれがないから熱対策は不要なんだよ。

r5540_typ_app 図1: ロードスイッチICの基本回路例

ロードスイッチIC一覧

kouhai_man_odoroki 新人B
なるほどです。

USBハイサイドスイッチIC

senpai_man_egao 先輩A
他にはUSBハイサイドスイッチICがあるよね。文字どおりUSB機器接続のラインに使うスイッチだよ。USB機器が接続/切断されたことをUSBホストコントローラからのイネーブル/ディセーブル信号で検知してラインをON/OFFしたり、USB機器の接続ラインを保護したりするのが役割だよ。USB機器の異常によってスイッチがOFFしたことをホストコントローラに知らせるフラグ出力があったりするよね。

r5524_typ_app 図2: USBハイサイドスイッチICの基本回路例

kouhai_man_yorokobi 新人B
USBホストコントローラにつなぐんですね。

外部電源スイッチIC

senpai_man_egao 先輩A
外部電源スイッチもあるな。これは文字どおり外部電源のON/OFFをするスイッチICなんだけど、実際には切り替えるために使うかな。例えば、ACアダプタとUSB充電、ワイヤレス充電、なんかを切り替えるんだよ。切り替えるってことは片側をON、もう一方をOFFするからスイッチだよね、ってそんなことはわかるか。もちろん、保護回路も入っているから例えばACアダプタに異常があって高電圧がかかったりするとOFFになって保護ができるわけさ。

r5528_typ_app 図3: USBハイサイドスイッチICの基本回路例

kouhai_man_odoroki 新人B
2つ使うと切り替えができるんですね。

バッテリーラインスイッチIC

senpai_man_egao 先輩A
あとは、バッテリーラインスイッチICかな。これは文字どおりバッテリーからの入力をON/OFFすることができるんだ。まあ、スイッチというより保護の方がメインかもね。バッテリーからの突入電流保護に使うんだよ。また、電池側に電流が逆流しないように逆流防止回路が入っているんだ。あと、3Aとか6Aとか結構な電流を流せるのでロードスイッチとしても使えるかな。この図にあるようにリセットIC(ボルテージディテクタ、電圧検出器)を内蔵したバッテリーラインスイッチICもあるんだ。図4のようにリセット出力(VDD)を自身のチップイネーブル(LCE)に繋げるだけでBattery電圧によるスイッチのON/OFF回路が簡単に構成できるよ。RLがマイコンの場合、バッテリー電圧の低下を検知してマイコンをOFFすることができるんだ。ちなみに、このリセット回路はバッテリーラインスイッチ回路と独立しているので全く別の用途のリセットICとしても使えるんだよ。

r5542_typ_app-3 図4: バッテリースイッチICの基本回路例

kouhai_man_ase 新人B
うーん。バッテリーラインスイッチICとリセットICのニコイチってことですか。まあ、便利に使えば良いんですけど。(笑)

インテリジェント・パワースイッチIC

senpai_man_egao 先輩A
インテリジェント・パワースイッチICというロードスイッチの高機能版もあるね。異常があった場合にいきなり保護するのではなく少し待って保護をかけたりするんだ。異常が瞬間的なものだったらいちいち保護がかかると面倒だからね。保護のレベルも2段階あって細かな保護設定ができるんだ。電圧異常や温度異常で保護をかけたりもできるんだ。

r5550_block-1 図5: インテリジェント・パワースイッチICのブロック図