スイッチングバックレギュレータ：設計の基本と効率

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。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、抵抗の電圧降下と、このリニアレギュレータに起因を使用して出力を調整す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、スイッチングバックレギュレータ回路について説明します。前のチュートリアルでバックレギュレータの設計についてはすでに説明しました。ここでは、バック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。

バックレギュレータとブーストレギュレータの違い

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。

降圧トポロジー又は降圧コンバータは、 SMPSで使用される最も使用される基本的なトポロジーの一つです。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。

ブーストレギュレータと同じように、バックコンバータまたはバックレギュレータはインダクタで構成されていますが、インダクタの接続はブーストレギュレータで使用される入力段ではなく出力段にあります。

そのため、多くの場合、要件に応じて低電圧を高電圧に変換する必要があります。降圧レギュレータは、電圧を高電位から低電位に変換します。

降圧コンバータ回路の設計の基本

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バックレギュレータ回路が示されています。入力はスイッチに直接接続されています。インダクタとコンデンサが出力の両端に接続されているため、負荷は滑らかな出力電流波形を取得します。ダイオードは、負の電流の流れを遮断するために使用されます。

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。

スイッチが長い間開位置にあると仮定すると、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、スイッチが近づくと電流が増加し、インダクタがスイッチの両端に電圧を生成します。この電圧降下により、出力のソース電圧が最小化されます。しばらくすると、電流の変化率が低下し、インダクタの両端の電圧も低下し、最終的に負荷の両端の電圧が上昇します。インダクタは、その磁場を使用してエネルギーを蓄積します。

したがって、スイッチがオンの場合、インダクタの両端の電圧はV _L = Vin-Voutです。

インダクタの電流は（Vin – Vout）/ Lの割合で上昇します

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、入力電圧から出力電圧を差し引いたものをインダクタンスで割ったものに比例します。

di / dt =（Vin-Vout）/ L

インダクタの充電フェーズを示す上のグラフ。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。

電流がまだ変化しているこの間、インダクタの両端で常に電圧降下が発生します。負荷両端の電圧は入力電圧より低くなります。オフ状態では、スイッチが開いている間、入力電圧源が切断され、インダクタが蓄積されたエネルギーを負荷に転送します。インダクタは、電流源になります負荷のために。

ダイオードD1は、スイッチがオフの状態のときにインダクタを流れる電流のリターンパスを提供します。

インダクタ電流は、–Vout / Lに等しい傾きで減少します

降圧コンバータの動作モード

降圧コンバータは、2つの異なるモードで動作できます。連続モードまたは不連続モード。

連続モード

連続モードでは、インダクタが完全に放電されることはなく、インダクタが部分的に放電されると充電サイクルが開始されます。

上の画像では、インダクタ電流（iI）が直線的に増加するときにスイッチがオンになると、スイッチがオフになるとインダクタが減少し始めますが、インダクタが部分的に放電されている間にスイッチが再びオンになります。これは連続動作モードです。

インダクタに蓄えられるエネルギーはE =（LI _L ²）/ 2

不連続モード

不連続モードは、連続モードとは少し異なります。不連続モードでは、インダクタは新しい充電サイクルを開始する前に完全に放電しました。インダクタは、スイッチがオンになる前に完全にゼロまで放電します。

不連続モードでは、上の画像にあるように、スイッチがオンになるとインダクタ電流（il）が直線的に増加し、スイッチがオフになるとインダクタが減少し始めますが、スイッチはインダクタの後でのみオンになります。が完全に放電され、インダクタ電流が完全にゼロになります。これは、不連続動作モードです。この動作では、インダクタを流れる電流は連続的ではありません。

降圧コンバータ回路のPWMとデューティサイクル

前のバックコンバータチュートリアルで説明したように、デューティサイクルを変えると、バックレギュレータ回路を制御できます。このためには、基本的な制御システムが必要です。連続モードまたは不連続モードで動作するエラーアンプとスイッチ制御回路が追加で必要です。

したがって、完全な降圧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の長さ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。

制御回路は、スイッチが開いたままになる時間を制御するか、インダクタの充電または放電にかかる時間を制御します。

この回路は、動作モードに応じてスイッチを制御します。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バック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。

降圧コンバータ回路の効率を改善

ここで、効率、回路内に提供する電力量、および出力で得られる電力量について調査すると、（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、スイッチングバック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。

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。

降圧コンバータの設計例

以前、MC34063を使用して降圧レギュレータ回路を作成しました。この回路では、12Vの入力電圧から5Vの出力が生成されます。MC34063は、バック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スイッチングバックレギュレータ回路によって75〜78％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。

降圧レギュレータの使用例-

低電圧アプリケーションのDC電源
ポータブル機器
オーディオ機器
組み込みハードウェアシステム。
太陽系など