応用組み込み電子工学

第8章. 周辺機器を駆動する

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ドライブ回路と センス回路は、非デジタル機器のアナログ世界をデジタル制御信号に接続する。ドライバ回路は、周辺機器に適切な電圧と電流を供給する回路の総称である。デバイスにもよるが、必要な電流や電圧は、デジタル・コントロール・ユニット（DCU）出力の能力を超えていることが多い。また、多くのデバイスを駆動するにはアナログ信号が必要となるため、何らかのデジタル・アナログ変換（DAC）戦略が必要となる。センス回路は実世界のアナログ情報をモニターし、その情報をDCUの処理に適したデジタルデータに変換する。第9章では、センサーとそれをサポートするための回路メソッドについて解説する。

図 8-1にセンス/ドライブの概念を示す。ドライバ回路はモータに高電力を供給し、センサ回路はモータの回転速度を決定する。デバイスはフィードバックセンシングなしで（別名オープンループ）、またはクローズドループ制御システム（FDI：制御）内でフィードバックと連動して動作させることができる。

図8-1. ドライブとセンスシステム

この章ではドライバー回路に焦点を当てる。他の章では、センス回路とクローズドループ制御メソッドに焦点を当てている。

警告

警告：安全第一設計者がモーターやその他のサーボ機構の制御を開始する際には、安全が最優先されなければならない。アクティブ・システムで何が起こりうるか、どこでダメージや危害が発生しうるかを常に考慮すること。

スイッチドライバ回路

最も単純なタイプのドライバー回路は、電流が駆動されるデバイスを一方向にのみ流れることを必要とするオン・オフ・デバイスである。これには、パワー・トランジスタの使用、パワー・トランジスタの適切な制御、過電圧や熱過熱によるトランジスタの破壊を避けるテクニックが必要である。

ハイサイドとローサイドのスイッチング

一般的なデジタル・デバイスは、20mA以下の連続電流しか流したり流さなかったりできない。そのため、電源のオン・オフを切り替えるには、一般的なデジタル・デバイスが供給できる電流よりも大きな電流が必要になることが多い。図8-2は、使用される回路の一部である。

大電流負荷の電源をオン・オフするには、2つの方法がある。一般にハイサイド・スイッチングと呼ばれるケースAでは、電源と負荷の間にスイッチを配置する。ローサイド・スイッチングと呼ばれるケースBは、スイッチを負荷とグランドの間に配置する。ハイサイド・スイッチングもローサイド・スイッチングも、インタフェース回路とパワー・トランジスタを必要とする。このテキストでは、使いやすさと多様な入手可能性から、パワー・トランジスタは主に負/正電界効果トランジスタ（NFET/PFET）に焦点を当てている。(代替品については「パワー・トランジスタの選択」を参照のこと）。

多くの場合、2つの異なる電源が必要である。図 8-2の_LVpwrはデジタル電源（通常 1 V～5 V）に関連し、_HVpwr（5 V～24 V超）は周辺機器（ここでは_Rload）に電力を供給する。

図 8-2のケース C は、一般的にパワートランジスタとして PFET ...