エレクトロニクスでは、レギュレーターは電力出力を絶えず調整できるデバイスまたはメカニズムです。電源ドメインで利用可能なレギュレータにはさまざまな種類があります。ただし、主に、DCからDCへの変換の場合、使用可能なレギュレータには、リニアまたはスイッチングの2種類があります。
リニアレギュレータは、抵抗の電圧降下を使用して出力を調整します。このため、リニアレギュレータは効率が低下し、熱の形で電力を失います。スイッチングレギュレータ用インダクタ、ダイオード、および出力へのソースからの転送エネルギー電源スイッチ。
スイッチングレギュレータの種類
利用可能なスイッチングレギュレータには3つのタイプがあります。
1. ステップアップコンバーター（ブーストレギュレーター）
2. 降圧コンバーター（バックレギュレーター）
3. フライバックコンバーター（絶縁レギュレーター）
ブーストレギュレータとバックレギュレータ回路についてはすでに説明しました。このチュートリアルでは、フライバックレギュレータ 回路について説明します。
降圧レギュレータとブーストレギュレータの違いは、降圧レギュレータでは、インダクタ、ダイオード、およびスイッチング回路の配置がブーストレギュレータとは異なることです。また、ブーストレギュレータの場合、出力電圧は入力電圧よりも高くなりますが、バックレギュレータの場合、出力電圧は入力電圧よりも低くなります。降圧トポロジまたは降圧コンバータは、SMPSで使用される最も使用されている基本的なトポロジの1つです。これは、より高い電圧をより低い出力電圧に変換する必要がある場合によく使用される選択肢です。
これらのレギュレーターの他に、フライバックレギュレーターまたはフライバックコンバーターという、すべての設計者の間で人気のある別のレギュレーターが存在します。これは、単一の出力電源から複数の出力が必要な場合に使用できる汎用性の高いトポロジです。それだけでなく、フライバックトポロジにより、設計者は出力の極性を同時に変更できます。たとえば、単一のコンバータモジュールから+ 5V、+ 9V、および-9Vの出力を作成できます。どちらの場合も変換効率は高いです。
フライバックコンバータのもう1つの点は、入力と出力の両方の電気的絶縁です。なぜ隔離が必要なのですか？いくつかの特別なケースでは、パワーノイズと安全関連の操作を最小限に抑えるために、入力ソースが出力ソースから完全に分離されている分離操作が必要です。基本的な単一出力フライバック操作について見ていきましょう。
フライバックコンバータの回路動作
下の画像のような基本的な単一出力フライバック設計を見ると、それを構築するために必要な基本的な主要コンポーネントを特定できます。
基本的なフライバックコンバータには、FETまたはトランジスタ、トランス、出力ダイオード、コンデンサなどのスイッチが必要です。
主なものは変圧器です。実際の回路動作を理解する前に、トランスの適切な動作を理解する必要があります。
トランスは、2次コイルと1次コイルとして知られる最小2つのインダクターで構成され、間にコアを挟んでコイルフォーマーに巻かれています。コアは、ある巻線から別の巻線に電気エネルギーを伝達するための重要なパラメータである磁束密度を決定します。もう1つの最も重要なことは、トランスの位相調整です。ドットは一次巻線と二次巻線に示されています。
また、ご覧のとおり、PWM信号がトランジスタスイッチの両端に接続されています。これは、スイッチのオフとオンの頻度によるものです。PWMは、パルス幅変調技術の略です。
フライバックレギュレータには、2つの回路動作があります。1つは変圧器の一次巻線が充電されたときのスイッチオンフェーズであり、もう1つは電気エネルギーが一次から二次に転送されるときのスイッチオフまたは変圧器の転送フェーズです。最後に負荷に。
スイッチが長時間オフになっていると仮定すると、回路の電流は0であり、電圧は存在しません。
この状況では、スイッチがオンになると、電流が増加し、インダクタによって電圧降下が発生します。これは、一次ドット端の両端の電圧がより負になるため、ドット負になります。この状況では、コアで生成された磁束により、エネルギーが2次側に流れます。二次コイルでは、電圧は同じ極性で生成されますが、電圧は二次コイルと一次コイルの巻数比に正比例します。ドットの負電圧により、ダイオードがオフになり、2次側に電流が流れなくなります。前のスイッチ-オフ-オンサイクルでコンデンサが充電された場合、出力コンデンサは負荷に出力電流のみを供給します。
次の段階で、スイッチをオフにすると、一次側を流れる電流が減少し、二次側のドットの端がより正になります。前のスイッチONステージと同じように、一次電圧の極性は二次側にも同じ極性を作成しますが、二次電圧は一次巻線と二次巻線の比率に比例します。ドットの正の端により、ダイオードがオンになり、トランスの2次インダクタが出力コンデンサと負荷に電流を供給します。コンデンサはオンサイクルで電荷を失いましたが、今度は再び補充され、スイッチのオン時間中に負荷に充電電流を供給することができます。
スイッチのオンとオフのサイクル全体で、入力電源と出力電源の間に電気接続はありませんでした。したがって、トランスは入力と出力を分離します。
スイッチのオンとオフのタイミングに応じて、2つの動作モードがあります。フライバックコンバータは、連続モードまたは不連続モードで動作できます。
では連続モード、一次帯電前に、電流がゼロ、サイクルの繰り返しになります。一方、不連続モードでは、次のサイクルは一次インダクタ電流がゼロになったときにのみ開始されます。
効率
ここで、入力電力に対する出力の比率である効率を調査すると、次のようになります。
（注ぎ口/ピン）x 100％
エネルギーは生成も破壊もできないため、変換することしかできず、ほとんどの電気エネルギーは未使用の電力を熱に失います。また、実際の分野では理想的な状況はありません。効率は、電圧レギュレータを選択するための大きな要因です。
スイッチングレギュレータの主な電力損失要因の1つはダイオードです。順方向電圧降下に電流（Vf xi）を掛けると、未使用のワット数が熱に変換され、スイッチングレギュレータ回路の効率が低下します。また、ヒートシンクやファンを使用して回路を放散熱から冷却するなど、熱/熱管理技術の回路に追加のコストがかかります。シリコンダイオードの順方向電圧降下だけでなく、逆方向回復も不必要な電力損失を引き起こし、全体的な効率を低下させます。
標準の回復ダイオードを回避する最良の方法の1つは、順方向電圧降下が低く、逆方向回復が優れているショットキーダイオードを使用することです。別の側面では、スイッチは最新のMOSFET設計に変更されており、コンパクトで小型のパッケージで効率が向上しています。
スイッチングレギュレータは、効率が高く、固定設計技術で、コンポーネントが小さいという事実にもかかわらず、リニアレギュレータよりもノイズが多いですが、それでも広く普及しています。
LM5160を使用したフライバックコンバータの設計例
TexasInstrumentsのフライバックトポロジを使用します。回路はデータシートで入手できます。
LM5160は、特長-以下で構成さ
- 4.5V〜65Vの広い入力電圧範囲
- 統合されたハイサイドおよびローサイドスイッチ
- 外部ショットキーダイオードは必要ありません
- 2Aの最大負荷電流
- 適応定数オンタイム制御
- 外部ループ補正なし
- 高速過渡応答
- 選択可能な強制PWMまたはDCM操作
- FPWMはマルチ出力フライバックをサポートします
- ほぼ一定のスイッチング周波数
- 1MHzまで調整可能な抵抗
- プログラムソフトスタート時間
- 事前にバイアスされたスタートアップ
- ±1％フィードバック電圧リファレンス
- LM5160Aは外部VCCバイアスを可能にします
- 堅牢な設計のための固有の保護機能
- ピーク電流制限保護
- 調整可能な入力UVLOとヒステリシス
- VCCおよびゲートドライブUVLO保護
- ヒステリシスによるサーマルシャットダウン保護
- WEBENCH®PowerDesignerでLM5160Aを使用してカスタムデザインを作成する
入力として4.5V〜70Vの広い入力電圧範囲をサポートし、2Aの出力電流を供給します。強制的なPWMまたはDCM操作を選択することもできます。
LM5160のピン配置
このICは、問題はありますが、DIPパッケージまたは簡単にはんだ付けできるバージョンでは入手できませんが、PCBのスペースを大幅に節約し、PCBヒートシンクよりも優れた熱性能を発揮します。ピン配列は上の画像に示されています。
絶対最大定格
ICの絶対最大定格に注意する必要があります。
SSピンとFBピンの耐電圧は低くなっています。
フライバックコンバータの回路図と動作
このLM5160を使用して、次の仕様に基づいて12V絶縁電源をシミュレートします。すべてがメーカーのウェブサイトで入手できるので、回路を選択しました。
回路図は多くのコンポーネントを使用していますが、理解するのは複雑ではありません。入力のC6、C7、およびC8は、入力電源のフィルタリングに使用されます。一方、R6とR10は、低電圧ロックアウト関連の目的で使用されます。 R7抵抗は、オン時間に関連する目的のためのものです。このピンは、単純な抵抗を使用してプログラム可能です。 SSピンの両端に接続されているC13コンデンサはソフトスタートコンデンサです。 AGND（アナロググランド）とPGND（電源グランド）およびPADは電源GNDに接続されています。右側のC5、0.01 uFコンデンサは、ゲートドライバのバイアスに使用されるブートストラップコンデンサです。 R4、C4、およびC9はリップルフィルターであり、R8およびR9はLM5160のフィードバックピンにフィードバック電圧を提供します。この2つの抵抗比が出力電圧を決定します。 C10とC11は、一次非分離出力フィルタリングに使用されます。
主要なコンポーネントはT1です。これは、一次側と二次側の両側に60uHのインダクタを備えた結合インダクタです。次の仕様で、他の結合インダクタまたはセピックインダクタを選択できます-
- 巻数比SEC：PRI = 1.5：1
- インダクタンス= 60uH
- 飽和電流= 840mA
- DC抵抗PRIMARY = 0.071オーム
- DC抵抗2次= 0.211オーム
- 周波数= 150 kHz
C3はEMIの安定性のために使用されます。D1は出力を変換する順方向ダイオード、C1、C2はフィルターキャップ、R2は起動に必要な最小負荷です。
カスタム仕様の電源を作りたい、値を計算したいという方のために、メーカーはデータを入力するだけの優れたExcelツールを提供しており、Excelはデータシートに記載されている式に応じてコンポーネントの値を計算します。
製造元は、TexasInstrument独自のSPICEベースのシミュレーションツールTINA-TIを使用してシミュレーションできるスパイスモデルと完全な回路図も提供しています。以下は、メーカーが提供するTINA-TIツールを使用して描かれた回路図です。
シミュレーション結果は、完全な負荷電流と電圧を示すことができる次の画像に示すことができます-
