理想的な整流ブリッジ

はじめに

過去数十年にわたり、エネルギー効率の向上は電子設計、特にバッテリー駆動デバイスや電源供給装置の分野で重要な課題となっています。一般的に用いられている伝統的な電圧整流方法や逆極性保護は、大きな電力損失を伴うため、理想的とは言えず、熱要求を増加させ、設計上の制約を課しています。

この記事では、この問題に対する革新的なアプローチ、すなわちMOSFETを整流ダイオードの代わりとして使用する方法に焦点を当てます。理想的なダイオードとして使用されるこれらのトランジスタは、電力損失を大幅に削減し、複雑で高価な冷却システムの必要性をなくします。第一部では、システムを逆極性から保護するための入力回路でダイオードの代わりにMOSFETを使用することに焦点を当てます。第二部では、MOSFET制御技術のさらなる進歩が電源設計をどのように革命化し、さらに高いエネルギー効率と小さな寸法を持つシステムにつながるかを分析します。

逆極性保護への古典的なアプローチ

モバイルバッテリー駆動デバイスの開発が始まって以来、設計者にとっての課題の一つは、効果的な逆極性保護を確保しつつ、電力損失を最小限に抑えることでした。逆極性保護の古典的なアプローチは、図1に示されているように、電源と直列に整流ダイオードを使用することです。これらのダイオードは、電源回路に配置され、電流が一方向にのみ流れるようにし、逆極性によるデバイスの損傷を防ぎます。最適化への第一歩として、整流ダイオードをショットキーダイオードに置き換えることで、約50%の効率向上が図られ、電圧降下が0.6-0.7Vから約0.3-0.4Vに減少しました。これは一般的に使用される方法ですが、電圧降下や電力損失といった欠点があります。低電流時に250-300mVの電圧降下を持つバッテリー用途の特殊ダイオードが開発されたにもかかわらず、古典的な解決策は依然として最適とは言えません。

図1: 古典的な逆極性保護

図1に示されたアプローチは、エネルギー効率の良い電池駆動デバイスにおいて長い間受け入れられてきました。その際、電力損失はある程度「コストに組み込まれた」とされていました。しかし、この解決策は、より多くの電力を必要とするデバイスには全く適していませんでした。そのようなデバイスの例には、CB無線、カーオーディオシステム、マルチメディアシステムなど、自己設置を目的としたさまざまな自動車用機器が含まれます。これらの場合、図2に示すように、駆動される受信機と並列に入力ダイオードを使用することが一般的でした。残念ながら、この構成では、誤った極性の場合に回路損傷を100%防ぐことはできませんでした。

図2: 高電流デバイスで使用される逆極性保護

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逆極性保護にMOSFETトランジスタを使用する

MOSFETトランジスタの普及と入手可能性により、図3に示すようなダイオード構成で使用されるMOSFETを用いた効果的な解決策が現れました。

図3: 逆極性保護としてのMOSFET:

A) PチャネルMOSFETを使用する場合 B) NチャネルMOSFETを使用する場合

理想的なダイオード構成は、トランジスタのRDS(ON)値と負荷電流によって決定される低い電圧降下を提供します。例えば、電流が1AでRDS(ON)=10 mΩの場合、トランジスタを通過する電圧降下はわずか10 mVです。この値は、通常のダイオード（600 mV）やショットキーダイオード（350 mV）の電圧降下と比較して無視できます。

図3に示された構成は、MOSFETトランジスタを使用しており、デバイスの逆極性保護の観点からは重要ではない欠点がありますが、上記の構成を理想的なダイオードと呼ぶことはできません。負荷側にMOSFETを開くことができる電圧が現れると、入力側にも電圧が現れます。したがって、図4に示すように、負荷側にバッテリーや大容量を使用する場合、追加の回路や市場で入手可能な専用ドライバーが必要です。

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図4：負荷側に大容量またはトランジスタを開くことができる電圧が現れると、回路が動作しなくなる

市場では、理想的なダイオードとして機能する多くの既製のソリューションを見つけることができます。これらはコントローラーとして動作します：

• DZDH0401DWはDiodes Incorporatedから提供され、入力と負荷の間の電圧差が約34mVでMOSFETの遮断を提供します。
• MAX16171はMaxim Integratedからの高度な理想的なダイオードコントローラで、逆電流保護を含んでいます。
• LM66100はTexas Instrumentsからの完全な理想的なダイオードで、統合されたMOSFETを備え、5V供給によって動力を供給されるシステム用の使用準備が整ったソリューションを提供します。

結論

従来の逆極性保護の方法はその目的を果たしてきましたが、MOSFETの使用はより効率的で効果的な代替手段を提示し、電源設計とエネルギー効率の進歩の道を開きます。バッテリー駆動デバイスや外部供給によって駆動されるデバイスなど、古典的な逆極性保護には、単一のMOSFETトランジスタを使用したシンプルな回路で十分です。しかし、信頼性を高め、入力に配置されたダイオードの特性を維持するためには、市場に出回っている多くのメーカーから非常に低価格で利用可能なより高度な回路を使用する必要があります。