ドリル、粉砕、切削、研磨、締め具の駆動などの電動工具は、さまざまな産業や家庭で使用されています。コードレス電動工具は、バッテリ電源を使用して DC モーターを駆動し、さまざまな電力レベルの製品が用意されています。

高電流レベルのアプリケーションでは、電源の接続または切断時に安全な動作を確保するために、バッテリとモータドライバの間にスイッチを配置するのが一般的です。また、スイッチをオフにすることで、機器の静止時電流を減らし、輸送時の電力を節約できます。

従来、このような状況ではシンプルで低コストのため、機械式スイッチが使用されてきました。ただし、スイッチの信頼性は十分ではありません。頻繁なスイッチングは機械式スイッチの寿命に影響を与えます。電気アークはスイッチング中にトリガされ、ボード上の他のデバイスに害を及ぼす可能性があります。

機械式スイッチに起因する問題を回避するために、電気 MOSFET スイッチを使用できます。モーター インバータは通常、3 相ブラシレス DC (BLDC) モーターを駆動するために 6 個の MOSFET で構成されているため、この追加 MOSFET スイッチを通常、7 番目の MOSFET (7MOS) と呼ばれます。

図 1 コードレス電動工具システムの 7MOS

7MOS の適切な実装ガイド

7MOS はさまざまな方法で実装できます。適切な設計を選択するには、このセクションを参照してニーズを特定してください。

どのタイプの MOSFET を使用すればよいですか – NMOS ですか、それとも PMOS ですか?

MOSFET は、次の 2 つのカテゴリに分けることができます。N チャネル MOSFET (NMOS)、P チャネル MOSFET (PMOS)。どちらもスイッチとして使用できます。PMOS と比較して、R_{DS, ON} サイズが小さくて同じ定格電流を実現できるため、NMOS は低コストと消費電力の実現に一般的です。したがって、このアプリケーション ブリーフでは NMOS を使用した設計についてのみ述べます。

NMOS は正の V_GS で駆動する必要があることに注意してください。これは、スイッチをオンにするには、ゲート電圧をソース電圧よりも高くする必要があることを意味します。NMOS をハイサイドに配置する場合、ソース電圧は電源電圧と等しくなるため、ゲート電圧は電源電圧より高くする必要があります。このゲート電圧を実現するには、追加のドライバ回路が必要です。

7MOSを取り付ける基板：バッテリ側かモーター側か？

通常、バッテリ管理とモーター制御を 2 枚の異なるボードに実装し、バッテリ管理ボードをバッテリの近く (バッテリ側) に配置し、モーター制御ボードをモーターの周囲 (モーター側) に配置します。7MOS スイッチはどちらのボードにも取り付けることができます。

スイッチを配置したどこでも、スイッチは PCB のサイズ、消費電力、熱に関する追加を実施できます。スイッチの位置を決定するには、これらの仕様の劣化を許容できる側を考慮する必要があります。

図 2 7MOS の配置：バッテリ側

図 3 7MOS の配置：モータ側

バッテリー側 7MOS

制御方式：ハイサイドか、ローサイドか

バッテリ側では、電源と負荷 (ハイサイド) の間、または負荷とグランド (ローサイド) の間に 7MOS を配置できます。

図 4 バッテリ側の 7MOS 制御
方式：ハイサイド

図 5 バッテリ側の 7MOS 制御
方式：ローサイド

NMOS を使用してローサイドに実装する場合、スイッチはターンオン時に電源より高いゲート電圧を必要としないため、追加回路のコストと面積を削減できます。ただし、スイッチがオフのときに、回路の他の部分 (通信、モーター ドライバなど) のグランド基準が失われることが欠点です。フローティング グランドは安全ではなく、この場合の通信には絶縁が必要です。

ハイサイド NMOS スイッチには、電源より高い電圧を生成するドライバ回路が必要ですが、この実装では、システム全体で常に同じグランド リファレンスを維持できます。

FET ドライバ：内蔵か外部か

7MOS の制御信号を生成するには、ドライバ回路が必要です。一部のバッテリ マネージメント IC はすでに FET ドライバを内蔵しているほか、この機能を実現するために外部回路を必要とするものもあります。

ドライバ回路がバッテリ管理 IC に内蔵されているかどうかにかかわらず、これは低消費電力である必要があります。バッテリ側では、シャットダウン モードでボードの消費電力が厳格に制御されるので、輸送時や長期的な保管時のバッテリ電力損失を低減できます。

FET ドライバを内蔵したバッテリ管理 IC は、設計段階でドライバの電力をすでに考慮に入れています。したがって、低消費電力の目標を達成します。さらに、ドライバを内蔵することで、コスト、基板サイズ、回路設計の余分な手間を節約できます。

ローサイド制御用の外部ドライバ回路を低コストのパッシブ デバイスを使用して構築し、MCU から制御信号を転送できます。この回路は低消費電力ですが、ある程度の PCB 領域を消費します。

ハイサイド制御用の追加ドライバ回路の設計では、ドライバ デバイスを使用して電源電圧よりも高い制御電圧を生成するため、設計の簡素化と面積の削減が可能です。このドライバデバイスは、シャットダウン モードで消費電力を制御するため、慎重に選択する必要があります。IC 用のペリフェラル回路を構築するには、依然としてパッシブ デバイスが必要です。ドライバ デバイスは、追加の保護機能 (過電圧保護、過電流保護など) を使用して構成できますが、合計コストは増加します。

図 6 バッテリ側
7MOS 用 FET ドライバ：統合

図 7 バッテリ側
7MOS 用 FET ドライバ：外部

モータ側 7MOS

モーター側では、バッテリ側と同様の状況になります。7MOS では、ハイサイドまたはローサイドの制御を使用できます。シャットダウン モードでの消費電力の制限は小さくなります。

ローサイド制御用に、モーター ドライバ IC には通常ローサイド MOSFET ドライバが内蔵されていないため、バッテリ側の 7MOS のように低コストのパッシブ デバイスを使用して外部ドライバ回路を作成できます。

ハイサイド制御を実現するために、モーター ドライバ IC は通常、モーター インバータのハイサイド NMOS を駆動するために FET ドライバを内蔵しています。ドライバの構造は、さまざまなモーター ドライバ IC によって異なります。追加の負荷電流をサポートするものもありますが、サポートしないものもあります。追加負荷をサポートする場合は、ハイサイド制御に必要なのは、シンプルなペリフェラル回路と低コストの受動デバイスのみです。余分な負荷をサポートしていない場合は、追加のドライバを使用する必要があります。このドライバは、ドライバ デバイスまたはパッシブ回路で実装できます。ドライバ デバイスは、受動回路よりもサイズがコンパクトで、追加の保護機能を搭載できますが、コストが高くなります。

図 8 モーター側 7MOS 用 FET ドライバ：ハイサイド

図 10 モーター側 7MOS 用 FET ドライバ：ローサイド

図 9 モーター側 7MOS 用 FET ドライバ：ハイサイド

パワー スイッチ付きの 7MOS 制御

ハイサイド パワー スイッチ IC は、電源電圧より高い電圧を生成するためにチャージ ポンプを内部に備えています。7MOS コントローラとして構成したとき、MCU からの信号と、対応するピンの出力ゲート電圧によってスイッチをトリガできます。スイッチは実装が簡単で、高集積度で PCB 面積を削減できます。この設計は、基板上の他の IC を変更しない場合に役立ちます。

多くのパワー スイッチには MOSFET が内蔵されていますが、電動工具アプリケーションのピーク電流は数十アンペアに達する可能性があるため、放熱が問題になる可能性があります。したがって、ディスクリート NMOS を備えたパワー スイッチは、このアプリケーション用に設計されます。

図 11 7MOS 制御、電源スイッチ付き (LM74502)

各種の IC には、逆極性保護 (RPP)、逆電流ブロック (RCB)、過電圧保護 (OVP)、低電圧誤動作防止 (UVLO)、過電流保護 (OCP) などの各種の保護機能が組み込まれています。

理想ダイオード / O リング コントローラとホット スワップ コントローラの 2 種類のパワー スイッチが推奨されます。デバイスを選択する際は、入力電圧、消費電力、パッケージ面積、コスト、必要な保護機能などの仕様を考慮します。

ハイサイド 7MOS 制御向け TI デザイン

すでに説明したように、ハイサイドの 7MOS 制御を実現するための主な課題は、電源よりも高いゲート制御電圧を生成することです。このセクションでは、この課題の解決に焦点を当てます。

次の方法を検討できます。

モータ側

• パワー スイッチを追加
• FET ドライバが内蔵されたモーター ドライバ IC を使用します

バッテリ側

• バッテリ プロテクタまたは低消費電力パワー スイッチを追加します
• FET ドライバが内蔵されたバッテリ モニタを使用します

モーター ドライバー IC 付き 7MOS 制御

ほとんどの BLDC モーター ドライバ IC は、モーター インバータのハイサイド NMOS をオンにするために、チャージ ポンプまたはブートストラップ構造を統合しています。回路のこの部分を再利用して 7MOS を制御することもできます。

• チャージ ポンプ内蔵モーター ドライバ IC

この設計については、アプリケーション ノート『大電流モーター ドライバ アプリケーションのカットオフ スイッチ』を参照。モーター ドライバ IC の VCP ピンには、低コストで省スペースのディスクリート回路を使って 7MOS をオンにする + 10V の電源を提供できます。

図 12 モーター ドライバ IC (チャージ ポンプ内蔵) 付き 7MOS 制御

• ブートストラップ内蔵、モーター ドライバ IC

ブートストラップ アーキテクチャだけでは、7MOS を制御するための電源 + 10V を生成することはできません。これは、定電圧を維持するためにモーター インバータのスイッチング動作に依存しているためです。ブートストラップ アーキテクチャを採用した TI のデバイスでは、入力 PWM デューティ サイクルが 100% に近いとき (DRV8328 や DRV8329 など)、ハイサイド NMOS ゲート電圧 (電源 + 10V) を供給するためにトリクル チャージ ポンプを使用しています。ただし、トリクル チャージ ポンプは、非常に軽い負荷電流に耐えることができるため、7MOS を直接駆動するのは困難です。7Mos を駆動するためにドライバ回路を使用できます。以下は DRV8328 とドライバ回路を使用して 7Mos を駆動する例です。

図 13 モーター ドライバ IC による 7MOS 制御 (ブートストラップ内蔵)

抵抗がブートストラップ アーキテクチャから VBUS への不要なパスを形成し、負荷電流を伝達する可能性があるため、抵抗 R1、R2、R3、R4 は慎重に選択する必要があります。

また、トリクル チャージ ポンプの負荷電流負荷を軽減するため、大きな抵抗値を推奨します。また、抵抗が大きいと、回路はノイズや干渉に対して脆弱になり、スイッチング時間が遅くなります。

デモでは、R1、R2、R3、R4 を MΩ レベルで選択します。実際のアプリケーションでは、小さな抵抗値 (100kΩ レベル) を選択できますが、ブートストラップ コンデンサが完全に充電されるように、インバータのローサイド NMOS をしばらくオンにする必要があります。

デモ回路を構築し、テスト結果を図 14に示します。ここで、チャネル 1 は MCU 制御信号、チャネル 2 はモーター インバータ (VBUS) のハイサイド NMOS のドレイン電圧を表します。

図 14 ドライバ回路を使用して 7MOS をオンにします

図 15 ドライバ回路を使用して 7MOS をオフにします

7MOS がオンになると、バッテリ電源 (15V) がモータ インバータに接続され、VBUS は電源電圧と等しくなります。7MOS がオフになると、バッテリ電源は切り離され、VBUS はグランドへの負荷抵抗によって低電圧レベルにプルダウンされます。したがって、マイコンは 7MOS を正常に制御し、このドライバ回路で電源を接続または切断できます。

このデモ デザインは、低コストの受動デバイスと JEFT を使用して構築されていますが、PCB の占有面積は約 30mm×30mm であるため、コンパクトなサイズ設計に懸念される可能性があります。

上記は一例です。この場合、MOS をすばやくオンまたはオフにすることはできず、100% デューティ動作をサポートすることはできません。これに注意を払う必要があります。

表 6に、推奨デバイスを示します。

ブートストラップ アーキテクチャを採用したモーター ドライバ IC 向けにテキサス インスツルメンツの将来の製品では、より高い負荷電流に対応し、ペリフェラル回路の小型化を実現するようにドライバ設計をアップグレードすることができます。

7MOS 制御、バッテリ プロテクタまたは低消費電力パワー スイッチ付き

FET ドライバ：内蔵か外部かで説明したように、 シャットダウン モードでバッテリの電力を節約するため、バッテリ側で低消費電力デバイスを使用する必要があります。これを実現するために、設計者はドライバ機能を備えたバッテリ プロテクタ、または低消費電力スイッチのいずれかを使用できます。

TI のバッテリ プロテクタである BQ76200 は、シャットダウン モードでの消費電流が 9.5uA 未満です。これにはチャージ ポンプが内蔵され、7MOS 制御の要件を満たす外部 (MCU またはバッテリ モニタ) からの信号で制御できます。

パワー スイッチ付きの 7MOS 制御で導入した低消費電力パワー スイッチもここで使用できます。シャットダウン時の消費電流は 20uA 未満であり、これらのデバイスは電力バジェットを制御下に保持することもできます。

まとめ

7MOS は、コードレス電動工具の電源を確実に接続または切断する方法を提供します。NMOS トランジスタは、ハイサイドまたはローサイド制御で 7MOS を実装できます。ハイサイド制御を実現するための主な課題は、電源電圧より高いゲート電圧を生成することです。表 8に、7MOS に対するテキサス インスツルメンツのデザインの概要を示し、性能の比較を示します。