電子機器では、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。しかし、主に、DCからDCへの変換の場合、使用可能なレギュレーターには、線形またはスイッチングの2つのタイプがあります。
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、このリニアレギュレータによる熱の形で低い効率及び失う電力を提供します。
一方、スイッチングレギュレータは、インダクタ、ダイオード、および電源スイッチを使用して、エネルギーをソースから出力に転送します。
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.インバーター（フライバック）
このチュートリアルでは、スイッチング ブーストレギュレータ回路について説明します。ブーストレギュレータの設計については、前のチュートリアルですでに説明しました。ここでは、ブーストコンバータのさまざまな側面とその効率を改善する方法について説明します。
ブーストコンバータ回路の設計の基本
多くの場合、要件に応じて、低い電圧を高い電圧に変換する必要があります。ブーストレギュレータは、電圧を低電位から高電位にブーストします。
上の画像では、インダクタ、ダイオード、コンデンサ、およびスイッチが使用されている単純なブーストレギュレータ回路が示されています。
インダクタの目的は、電源スイッチを流れる電流スルーレートを制限することです。これにより、スイッチの抵抗によって個別に避けられない過剰な高ピーク電流が制限されます。
また、インダクタ格納エネルギー、ジュールで測定されたエネルギーE =（L * I 2 /2）
今後の画像やグラフで、インダクタがどのようにエネルギーを伝達するかを理解します。
ブーストレギュレータを切り替える場合、2つのフェーズがあります。1つはインダクタ充電フェーズまたはスイッチオンフェーズ（スイッチは実際に閉じています）であり、もう1つは放電フェーズまたはスイッチオフフェーズ（スイッチが開いている）です。
スイッチが長時間開位置にあると仮定すると、ダイオードの両端の電圧降下は負になり、コンデンサの両端の電圧は入力電圧に等しくなります。この状況では、スイッチが近づくと、Vinはインダクタの両端でおびえます。ダイオードは、スイッチを介してコンデンサがグランドに放電するのを防ぎます。
インダクタを流れる電流は時間とともに直線的に増加します。線形電流上昇率は、入力電圧をインダクタンスdi / dt =インダクタ両端の電圧/インダクタンスで割った値に比例します。
上のグラフは、インダクタの充電フェーズを示しています。x軸はt（時間）を示し、Y軸はI（インダクタを流れる電流）を示します。スイッチが閉じているかオンになっているとき、電流は時間とともに直線的に増加します。
ここで、スイッチが再びオフになるか開くと、インダクタ電流がダイオードを流れ、出力コンデンサを充電します。出力電圧が上昇すると、インダクタを流れる電流の傾きが逆になります。出力電圧は、インダクタを通る電圧= L *（di / dt ） に達するまで上昇します。
時間の経過に伴うインダクタ電流の低下率は、インダクタ電圧に正比例します。インダクタ電圧が高いほど、インダクタを流れる電流降下が速くなります。
上のグラフでは、スイッチがオフになるとインダクタ電流が時間とともに低下します。
スイッチングレギュレータが定常状態の動作状態にあるとき、インダクタの平均電圧はスイッチングサイクル全体でゼロです。この状態では、インダクタを流れる平均電流も定常状態にあります。
インダクタの充電時間がTonであり、回路に入力電圧があると仮定すると、出力電圧には特定のToffまたは放電時間があります。
定常状態では平均インダクタ電圧がゼロに等しいため、次の項を使用してブースト回路を構築できます。
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x（Ton / Toff）
出力電圧は入力電圧と平均インダクタ電圧に等しいため（Vout = Vin + VL）
私たちはそれを言うことができます、
Vout = Vin + Vin x（Ton / Toff） Vout = Vin x（1 + Ton / Toff）
デューティサイクルを使用してVoutを計算することもできます。
デューティサイクル（D）=トン/（トン+ Toff）
ブーストスイッチングレギュレータの場合、VoutはVin /（1 – D）になります。
ブーストコンバータ回路のPWMとデューティサイクル
デューティサイクルを制御すれば、ブーストコンバータの定常出力を制御できます。したがって、デューティサイクルの変動には、スイッチの両端に制御回路を使用します。
したがって、完全な基本的なブーストレギュレータ回路の場合、デューティサイクルを変化させ、インダクタがソースからエネルギーを受け取る時間を変化させる追加の回路が必要です。
上の画像では、フィードバックパスを使用して負荷の両端の出力電圧を検出し、スイッチを制御するエラーアンプを見ることができます。最も一般的な制御技術には、回路のデューティサイクルを制御するために使用されるPWMまたはパルス幅変調技術が含まれます。
制御回路を制御する時間の量は、スイッチは、負荷によって引き出される電流に応じて、開いたり閉じたままです。この回路は、定常状態での連続動作にも使用されます。出力電圧のサンプルを取得し、それを基準電圧から減算して小さなエラー信号を作成します。次に、このエラー信号は発振器ランプ信号と比較され、コンパレータ出力からPWM信号がスイッチを操作または制御します。回路。
出力電圧が変化すると、エラー電圧も影響を受けます。エラー電圧の変化により、コンパレータがPWM出力を制御します。また、出力電圧がゼロエラー電圧を生成する位置にPWMが変更され、これを行うことにより、閉制御ループシステムが作業を実行します。
幸いなことに、最新のスイッチングブーストレギュレータのほとんどは、ICパッケージ内にこの機能を組み込んでいます。したがって、単純な回路設計は、最新のスイッチングレギュレータを使用して実現されます。
基準フィードバック電圧は、抵抗分割器ネットワークを使用して行われます。これは、インダクタ、ダイオード、およびコンデンサとともに必要とされる追加の回路です。
ブーストコンバータ回路の効率を向上させる
さて、効率について調べると、回路内にどれだけの電力を供給し、出力でどれだけの電力を得るかです。
（注ぎ口/ピン）* 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ません。ほとんどの電気エネルギーは、熱に変換された未使用の電力を失います。また、実際の分野では理想的な状況はなく、電圧レギュレータを選択する際の大きな要因は効率です。
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。順方向電圧降下時間電流（Vf xi）は、熱に変換されてスイッチングレギュレータ回路の効率を低下させる未使用のワット数です。また、ヒートシンクを使用する熱/熱管理技術の回路、または放散された熱から回路を冷却するためのファンの追加コストです。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ダイオードの代わりにショットキーダイオードを使用することです。最大の効率が必要な場合は、MOSFETを使用してダイオードを交換できます。現代の技術では、スイッチングブーストレギュレータセクションで利用可能な選択肢がたくさんあり、90％以上の効率を簡単に提供します。
また、最近の多くのデバイスで使用されている「スキップモード」機能があり、非常に軽い負荷でスイッチングする必要がない場合に、レギュレータがスイッチングサイクルをスキップできるようにします。これは、軽負荷状態での効率を改善するための優れた方法です。スキップモードでは、スイッチングサイクルは、出力電圧が調整しきい値を下回ったときにのみ開始されます。
効率が高く、固定設計技術で、コンポーネントが小さいにもかかわらず、スイッチングレギュレータはリニアレギュレータよりもノイズが多くなります。それでも、彼らは広く人気があります。
ブーストコンバーターの設計例
以前、MC34063を使用してブーストレギュレータ回路を作成しました。この回路では、3.7Vの入力電圧から5Vの出力が生成されます。MC34063は、ブーストレギュレータ構成で使用されたスイッチングレギュレータです。インダクタ、ショットキーダイオード、コンデンサを使用しました。
上の画像では、Coutが出力コンデンサであり、スイッチングレギュレータの基本コンポーネントであるインダクタとショットキーダイオードも使用しています。使用されるフィードバックネットワークもあります。R1およびR2抵抗は、コンパレータのPWMおよびエラー増幅ステージに必要な分圧回路を作成します。コンパレータの基準電圧は1.25Vです。
プロジェクトを詳細に見ると、このMC34063スイッチングブーストレギュレータ回路によって70〜75％の効率が達成されていることがわかります。適切なPCB技術を使用し、熱管理手順を取得することで、さらなる効率を向上させることができます。