電力のハイサイドとローサイドの切り替えの違いは?


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ハイサイドとローサイドの切り替えに本当の違いはありますか?

仮定:

  • スイッチングは、オブジェクトのオン/オフ制御用です(私の場合はRPi)
  • ベース/ゲートはVccおよびGNDに駆動可能

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IOピンが接続されているデジタルデバイスを切り替える場合、これらのピンは別のグランドとして機能し、ローサイドスイッチングは機能しません。この場合、ハイサイドスイッチングまたはバッファが必要になります。
ジオメトリクリカル

回答:


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唯一の実際の違いは、利用可能なグランドレベルと最大電流です。

  • ローサイドスイッチングとは、スイッチングエレメントの電圧降下が(小さな)非ゼロであるため、2つのサブ回路のグランドレベルが異なることを意味します。
  • Pタイプ(ハイサイド)スイッチング素子は通常Nタイプ(ローサイド)スイッチング素子よりも高いオン抵抗を持つため、ハイサイドスイッチングの最大電流制限は低くなります。

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もちろん違いはありますが、そうでなければ、名前の異なる2つの異なるメソッドはありません。

たとえばモーターやソレノイドのように負荷が浮遊している場合、ハイサイドまたはローサイドの切り替えは負荷に影響を与えません。これは、フローティングの定義により、ノードはその両端の差動電圧のみを「認識」し、コモンモード電圧に反応しないためです。

フローティング負荷であっても、ハイサイドスイッチングとローサイドスイッチングの駆動回路には大きな違いがあります。慣例により、通常、制御回路を駆動する電源のマイナス側を接地し、その後電源をプラスと見なします。グランドはマイナス側であり、他の世界に接続する他の信号と相互作用する必要がある場合、このグランドを基準とするため、制御回路もグランド基準になります。たとえば、24 Vのソレノイドを駆動している場合でも、PWMパルスを生成するマイクロコントローラーは3.3 Vのレールとグランドから給電されます。

制御回路は電源(グランド)のローサイドにあるため、通常、ローサイドスイッチの駆動はハイサイドスイッチの駆動よりも簡単です。したがって、ローサイドとハイサイドのどちらを切り替えてもかまわないフローティング負荷では、通常はローサイドを切り替えます。

ローサイドスイッチを使用するもう1つの理由は、負荷の片側がすでに制御できない正電源に接続されている場合です。唯一の選択肢は、負荷のローサイドをフローティングのままにして負荷をオフにするか、接地に接続してオンにすることです。一部の負荷は、システム全体の配線を簡素化するために、片側の電源に事前に接続しておくと便利です。

場合によっては、負荷が重要になります。負荷に接続する必要がある他の接地基準信号がある場合、通常、その接地ノードを接地に接続したままにする必要があります。その場合、あなたはそれが好きか嫌いかに関わらず、負荷への正の電力を切り替える必要があります。繰り返しますが、これは通常、ローサイドスイッチを駆動するよりも複雑ですが、過度に長くないため、回避するには長い時間が必要です。

ローサイド制御回路を使用してローサイドを切り替える場合、NPNトランジスタまたはNチャネルFETを使用することは明らかです。ただし、ハイサイドスイッチでは、より多くのオプションを検討する必要があります。NチャネルFETは一般にスイッチとして優れた特性を備えていますが、1つを使用すると2つの問題が生じます。ほとんどの場合、これらのことを実行できるドライバーチップがありますが、まだ問題があります。

APチャネルFETは、ゲート電圧がほとんどのFETの電源電圧から約10 V未満の範囲であるため、切り替えが容易です。PNPトランジスタは、ベースから電流を引き出してオンにするだけなので、さらに簡単になります。ただし、それらをすぐにオフにすることは難しい場合があります。

そのため、いつものように、普遍的な答えはなく、トレードオフはアプリケーションごとに個別に検討する必要があります。


ハイサイドにプルアップを使用し、H / Lの代わりにZ / Lを切り替えることができます
Alexander M

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@Alex:確かに、ハイサイドスイッチを駆動する方法はたくさんあり、それぞれに長所と短所があります。ハイサイドスイッチをオフにするプルアップの問題の1つは、これによりスイッチがゆっくりオフになることです。これは、たとえば降圧コンバーターのようなものにとって深刻な問題になる可能性があります。
オリンラスロップ

@AlexanderM:スイッチング速度を無視しても、負荷電圧がMOSFETが取ることができる最大Vdsより低い(明らかに)が、最大Vgsを超える(はるかに低い)アプリでMOSFETを使用することが十分です例:100V MOSFETで20V)、この場合、プルアップ抵抗以上のものが必要です:books.google.com/books
Fizz

また、ハイサイドスイッチングPNPでは、特にドライバーがロジックレベルの回路である場合、ベースの(高)電圧が上昇することを心配する必要がありますjeelabs.org/2012/11/12/high-サイド切り替え
フィズ

@OlinLathrop、すばらしい説明をありがとう。DCモーター制御にローサイドスイッチを使用する場合、電圧フィードバック回路はどのように配置されますか?SCRドライブでは、V +およびV-バスを取得し、適切に低減することで電圧フィードバック値を取得します(絶縁、差動増幅、精密整流など)。ここでは、V +側は常に全電源に接続されており、制御回路はグランドを基準にしているため、電圧フィードバック回路の+ ve端は全電圧を表示し、-veは低電圧のときに-veフローティング電圧を表示しますサイドスイッチがオフですよね?何をすべきか?
ヴィシャール

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絶縁回路の場合、ハイサイドとローサイドのスイッチングに大きな違いはありません。負荷電流が大きい場合、ローサイド半導体スイッチ(NPNトランジスタやNチャネルMOSFETなど)は、多くの場合、ハイサイドの同等品よりも損失が少ないため、推奨されます。

ただし、回路が独自の電源接続で外部デバイスに接続されている場合、これはぼやけます。これらの外部デバイスが回路への電源と同じグランド基準への接続を提供し、これをオン/オフに切り替えると、外部デバイスがグランドへの代替ルートを提供し、スイッチングが無効になり、何かを損傷する可能性があります途中で適切な電流の定格がありません。

同様に、外部デバイスが、スイッチングしている電源と同じグランドを基準とするV +電源を提供する場合、外部電源デバイスを介して正電圧レールに逆電源を供給してしまう可能性があり、これも望ましくない結果をもたらします。


イグナシオの答えは彼が最初であったb / cのみを受け入れた
アレクサンダーM

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@Alex:私はあなたが受け入れるつもりだった知っていた場合は任意のわずか18分の質問をした後の答えを、私は1つを書いて、おろかいくつかの背景に入る気にしなかったであろう。今後の質問に備えて、このことを心に留めておきます。
オリンラスロップ

すみません、オーリン。あなたの答えはイグナシオの答えと非常に似ていると言ったはずです。それも理由だった
アレクサンダーM

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@AlexanderM:それは私と同じようには見えません。Olinは実際に重要な多くの詳細をカバーしましたが、受け入れた回答では完全に無視されました。
フィズ

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1つのタイプの切り替えを選択する理由は多数あります。

あなたの回路/負荷が負荷の切り替え時に発生する接地電流に耐えることができる場合、一般にローサイドの切り替えはより簡単で安価です。

回路がこれに耐えられない場合(高感度/低電圧プロセッサ/ロジックのグランドプレーンの乱れが大きすぎる場合)..ハイサイド方式を使用して負荷を切り替えることをお勧めします。これにより、負荷のリターン電流を個別に管理します(多くの場合、より高い電力負荷には、より高い電圧の電源レールが必要です。なお、個別のリターンパスで共通の「グランド」電位を共有します)。

ハイサイドスイッチングのもう1つの一般的な理由(Olinによる説明)..負荷の最も容易に利用可能な戻り電流経路は、負の電源レールです。例:リレーなどの「グランド」(DCリターンパス)として使用される自動車のシャーシ(この例には、多くの追加の利点とリスクがあります)。

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