電力は、あらゆる電子機器プロジェクト/デバイスの重要な部分です。ソースに関係なく、通常、電圧変換/スケーリング、変換（AC-DC / DC-DC）などの電力管理タスクを実行する必要があります。これらの各タスクに適切なソリューションを選択することが、製品の成功（または失敗）の鍵となる可能性があります。ほとんどすべての種類のデバイスで最も一般的な電源管理タスクの1つは、DC-DC電圧調整/スケーリングです。。これには、入力のDC電圧の値を出力の高い値または低い値に変更することが含まれます。これらのタスクを実行するために使用されるコンポーネント/モジュールは、一般に電圧レギュレータと呼ばれます。これらは通常、入力電圧よりも高いまたは低い一定の出力電圧を供給する能力があり、異なる電圧のセクションがある設計のコンポーネントに電力を供給するために一般的に使用されます。また、従来の電源にも使用されています。
電圧レギュレータには2つの主要なタイプがあります。
- リニアレギュレータ
- スイッチングレギュレータ
リニア電圧レギュレータは通常、降圧レギュレータであり、インピーダンス制御を使用して、出力での入力電圧の線形減少を作成します。それらは通常非常に安価ですが、規制中に多くのエネルギーが熱に失われるため非効率的です。一方、スイッチングレギュレータは、アーキテクチャに応じて、入力に印加される電圧をステップアップまたはステップダウンすることができます。それらは、レギュレータ出力で利用可能な電圧を制御するトランジスタのオン/オフスイッチングプロセスを使用して電圧レギュレーションを実現します。リニアレギュレータと比較して、スイッチングレギュレータは通常、より高価ではるかに効率的です。
本日の記事では、スイッチングレギュレータに焦点を当て、タイトルが付けられたので、プロジェクトのスイッチングレギュレータを選択する際に考慮すべき要素を検討します。
プロジェクトの他の部分（コア機能、RFなど）は複雑であるため、電源用のレギュレーターの選択は、通常、設計プロセスが終了するまで残されたアクションの1つです。今日の記事では、時間制限のある設計者に、スイッチングレギュレータの仕様で何を探すべきかについてのヒントを提供し、特定のユースケースに適合するかどうかを判断しようとします。さまざまなメーカーが温度、負荷などのパラメータに関する情報を提示するさまざまな方法の解釈に関する詳細も提供されます。
スイッチングレギュレータの種類
スイッチングレギュレータには基本的に3つのタイプがあり、考慮すべき要素は、アプリケーションに使用するタイプによって異なります。3つのタイプは;
- バックレギュレーター
- ブーストレギュレーター
- バックブーストレギュレーター
1.バックレギュレーター
降圧レギュレータとも呼ばれ、ステップダウンレギュレータまたは降圧コンバータは、ほぼ間違いなく最も人気のスイッチングレギュレータです。これらには、入力に印加された電圧を出力のより低い電圧に降圧する機能があります。したがって、それらの定格入力電圧は通常、それらの定格出力電圧よりも高くなります。降圧コンバータの基本的な回路図を以下に示します。
レギュレータの出力はトランジスタのオンとオフの切り替えによるものであり、電圧値は通常、トランジスタのデューティサイクル（完全なサイクルごとにトランジスタがオンになっていた時間）の関数です。出力電圧は次の式で与えられます。この式から、デューティサイクルが1に等しくなることはなく、出力電圧は常に入力電圧よりも低くなることが推測できます。したがって、設計のある段階と別の段階の間で供給電圧を下げる必要がある場合は、降圧レギュレータが使用されます。降圧レギュレータの設計の基本と効率について詳しくは、こちらをご覧ください。さらに、降圧コンバータ回路の構築方法についても学びます。
2.ブーストレギュレーター
ブーストレギュレーターまたはブーストコンバーターは、バックレギュレーターとは正反対の方法で動作します。それらは、出力で入力電圧よりも高い電圧を供給します。降圧レギュレータと同様に、スイッチングトランジスタの動作を使用して出力の電圧を上昇させ、通常は降圧レギュレータで使用されるのと同じコンポーネントで構成されますが、コンポーネントの配置のみが異なります。昇圧レギュレータのための簡単な回路図を以下に示します。
ブーストレギュレータの設計の基本と効率について詳しくは、こちらをご覧ください。このブーストコンバータ回路に従って、1つのブーストコンバータを構築できます。
3.昇降圧レギュレーター
最後になりましたが、バックブーストレギュレーターです。それらの名前から、入力電圧にブースト効果とバック効果の両方を提供することは容易に推測できます。昇降圧コンバータは、 デューティ・サイクルに基づいて、入力電圧より大きいか、または小さくすることができる反転（負）出力電圧を生成します。基本的な昇降圧スイッチモード電源回路を以下に示します。
昇降圧コンバータはブーストコンバータ回路のバリエーションであり、反転コンバータはインダクタL1によって蓄積されたエネルギーのみを負荷に供給します。
これら3つのスイッチングレギュレータタイプのいずれかを選択するかどうかは、設計するシステムに必要なものだけに依存します。使用するレギュレーターのタイプに関係なく、レギュレーターの仕様が設計の要件を満たしていることを確認することが重要です。
スイッチングレギュレータを選択する際に考慮すべき要素
スイッチングレギュレータの設計は、それに使用されるパワーICに大きく依存するため、考慮すべき要素のほとんどは、使用されるパワーICの仕様になります。アプリケーションに適したものを選択できるように、パワーICの仕様とその意味を理解することが重要です。
アプリケーションに関係なく、次の要素をチェックすることで、選択にかかる時間を短縮できます。
1.入力電圧範囲
これは、ICがサポートする入力電圧の許容範囲を指します。これは通常、データシート内で指定されており、設計者として、アプリケーションの入力電圧がICに指定された入力電圧範囲内にあることを確認することが重要です。特定のデータシートでは最大入力電圧のみが指定されている場合がありますが、仮定を行う前に、データシートをチェックして最小入力範囲についての言及がないことを確認することをお勧めします。最大入力電圧より高い電圧が印加されると、ICは通常は揚げられますが、最小入力電圧より低い電圧が印加されると、通常、ICは動作を停止するか、異常に動作します。これらはすべて、実施されている保護対策によって異なります。入力に範囲外の電圧が供給されたときにICの損傷を防ぐために通常適用される保護対策の1つは、不足電圧ロックアウト（UVLO）です。これが利用可能かどうかを確認することも、設計上の決定に役立つ場合があります。
2.出力電圧範囲
スイッチングレギュレータは通常、可変出力を備えています。出力電圧範囲は、必要な出力電圧を設定できる電圧の範囲を表します。可変出力オプションのないICでは、これは通常単一の値です。必要な出力電圧がICに指定された範囲内にあり、最大出力電圧範囲と必要な出力電圧の差として安全率が高いことを確認することが重要です。原則として、最小出力電圧を内部基準電圧より低い電圧レベルに設定することはできません。アプリケーション（バックまたはブースト）に応じて、最小出力範囲は入力電圧（ブースト）よりも大きくすることも、入力電圧（バック）よりもはるかに小さくすることもできます。
3.出力電流
この用語は、ICが設計された定格電流を指します。これは基本的に、ICが出力で供給できる電流の量を示しています。一部のICでは、安全性の尺度として最大出力電流のみが指定されており、設計者がレギュレータがアプリケーションに必要な電流を供給できるようにするのに役立ちます。他のICについては、最小定格と最大定格の両方が提供されています。これは、アプリケーションの電源管理手法を計画する際に非常に役立ちます。
ICの出力電流に基づいてレギュレータを選択する際には、アプリケーションに必要な最大電流とレギュレータの最大出力電流の間に安全マージンが存在することを確認することが重要です。レギュレータの最大出力電流が必要な出力電流より少なくとも10〜20％高いことを確認することが重要です。これは、ICが最大レベルで連続して動作しているときに大量の熱を発生し、熱によって損傷する可能性があるためです。 。また、最大で動作すると、ICの効率が低下します。
4.動作温度範囲
この用語は、レギュレータが適切に機能する温度範囲を指します。これは、周囲温度（Ta）または接合部温度（Tj）のいずれかで定義されます。 TJ温度はトランジスタの最高動作温度を指し、周囲温度はデバイス周辺の環境の温度を指します。
動作温度範囲が周囲温度で定義されている場合、必ずしもレギュレータが全温度範囲で使用できることを意味するわけではありません。安全率を考慮すること、および計画された負荷電流とそれに伴う熱を考慮することが重要です。これと周囲温度の組み合わせが接合部温度を構成するものであり、これも超えてはなりません。過度の熱はレギュレーターの異常な動作と壊滅的な故障につながる可能性があるため、動作温度範囲内にとどまることがレギュレーターの適切で継続的な動作にとって重要です。したがって、デバイスが使用される環境の周囲熱に注意を払い、指定された動作温度範囲かどうかを判断する前に、負荷電流の結果としてデバイスによって生成される可能性のある熱量を判断することが重要です。レギュレーターのはあなたのために働きます。特定のレギュレーターは極寒の条件でも故障する可能性があることに注意することが重要です。アプリケーションを寒い環境に展開する場合は、最低温度値に注意する価値があります。
5. スイッチング周波数
スイッチング周波数とは、スイッチングレギュレータで制御トランジスタがオン/オフされる速度のことです。パルス幅変調ベースのレギュレータでは、周波数は通常、パルス周波数変調中に固定されます。
スイッチング周波数は、リップル、出力電流、最大効率、応答速度などのレギュレータのパラメータに影響を与えます。スイッチング周波数の設計では、スイッチング周波数が異なる2つの類似したレギュレータの性能が異なるように、常に整合インダクタンス値を使用する必要があります。異なる周波数の2つの同様のレギュレータを検討すると、たとえば、高周波のレギュレータの電流と比較して、低周波数で動作するレギュレータの最大電流が低くなることがわかります。また、低周波数ではリップルなどのパラメータが高くなり、レギュレータの応答速度が遅くなりますが、高周波数ではリップルが低く応答速度が高くなります。
6.ノイズ
スイッチングレギュレータに関連するスイッチング動作は、特にRFコンポーネントとオーディオ信号を備えたシステムで、システム全体のパフォーマンスに影響を与える可能性のあるノイズと関連する高調波を生成します。フィルタなどを使用してノイズを低減することはできますが、ノイズに敏感な回路の信号対ノイズ比（SNR）を実際に低減することができます。したがって、レギュレータによって生成されるノイズの量がシステムの全体的なパフォーマンスに影響を与えないことを確認することが重要です。
7.効率
効率は、今日の電力ソリューションの設計で考慮すべき重要な要素です。これは基本的に、入力電圧に対する出力電圧の比率です。理論的には、スイッチングレギュレータの効率は100％ですが、FETスイッチの抵抗、ダイオードの電圧降下、インダクタと出力コンデンサの両方のESRがレギュレータの全体的な効率を低下させるため、これは通常実際には当てはまりません。最新のレギュレータのほとんどは広い動作範囲にわたって安定性を提供しますが、効率は使用によって異なり、たとえば、出力から引き出される電流が増加すると大幅に低下します。
8.負荷調整
負荷レギュレーションは、負荷要件の変化に関係なく、出力で一定の電圧を維持する電圧レギュレータの能力の尺度です。
9.パッケージとサイズ
最近のハードウェアソリューションの設計における通常の目標の1つは、サイズを可能な限り小さくすることです。。これには基本的に、電子部品のサイズを縮小し、デバイスの各セクションを構成する部品の数を常に減らすことが含まれます。小型の電源システムは、プロジェクト全体のサイズを縮小するだけでなく、追加の製品機能を詰め込むことができるスペースを作成するのにも役立ちます。プロジェクトの目標に応じて、使用するフォームファクター/パッケージサイズを確認してください。あなたのスペース予算に収まります。この要因に基づいて選択を行う際には、レギュレータが機能するために必要な周辺コンポーネントのサイズを考慮することも重要です。たとえば、高周波ICを使用すると、低静電容量の出力コンデンサとインダクタを使用できるため、コンポーネントのサイズが小さくなり、その逆も可能です。
これらすべてを特定し、設計要件と比較することで、どのレギュレーターを通過させる必要があり、どのレギュレーターを設計に組み込む必要があるかをすばやく判断できます。
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次回まで。