2019-07-22 基礎講座 技術情報 電源回路の基礎知識(2) ~スイッチング・レギュレータの動作~ この記事をダウンロード 電源回路の基礎知識(1)では電源の入力出力に着目して電源回路を分類しましたが、今回はその中で最も多く使用されているスイッチング・レギュレータについて、降圧型スイッチング・レギュレータを例に、回路の構成や動作の仕組みをもう少し詳しく説明していきます。 スイッチング・レギュレータの特長 スマートフォン、コンピュータや周辺機器、デジタル家電、自動車(ECU:電子制御ユニット)など、多くの機器や装置に搭載されているのがスイッチング・レギュレータです。スイッチング・レギュレータは、ある直流電圧を別の直流に電圧に変換するDC/DCコンバータの一種で、次のような特長を持っています。 降圧(入力電圧>出力電圧)電源のほかに、昇圧電源(入力電圧<出力電圧)や昇降圧電源も構成できる エネルギーの変換効率が一般に80%から90%と高く、電源回路で生じる損失(=発熱)が少ない 近年のマイコンやAIプロセッサが必要とする1. 0V以下(サブ・ボルト)の低電圧出力や100A以上の大電流出力も実現可能 コントローラICやスイッチング・レギュレータモジュールなど、市販のソリューションが豊富 降圧型スイッチング・レギュレータの基本構成 降圧型スイッチング・レギュレータの基本回路は主に次のような素子で構成されています。 入力コンデンサCin 入力電流の変動を吸収する働きを担います。容量は一般に数十μFから数百μFです。応答性を高めるために、小容量のコンデンサを並列に接続する場合もあります。 スイッチ素子SW1 スイッチング・レギュレータの名前のとおりスイッチング動作を行う素子で、ハイサイド・スイッチと呼ばれることもあります。MOSFETが一般的に使われます。 図1. 降圧型スイッチング・レギュレータの基本回路 スイッチ素子SW2 スイッチング動作において、出力インダクタLと負荷との間にループを形成するためのスイッチ素子です。ローサイド・スイッチとも呼ばれます。以前はダイオードが使われていましたが、最近はエネルギー変換効率をより高めるために、MOSFETを使う制御方式(同期整流方式)が普及しています。 出力インダクタL スイッチ素子SW1がオンのときにエネルギーを蓄え、スイッチ素子SW1がオフのときにエネルギーを放出します。インダクタンスは数nHから数μHが一般的です。 出力コンデンサCout スイッチング動作で生じる出力電圧の変動を平滑化する働きを担います。容量は一般に数μFから数十μF程度ですが、応答性を高めるために、小容量のコンデンサを並列に接続する場合もあります。 降圧型スイッチング・レギュレータの動作概要 続いて、動作の概要について説明します。 二つの状態の間をスイッチング スイッチング・レギュレータの動作は、大きく二つの状態から構成されています。 まず、スイッチ素子SW1がオンで、スイッチ素子SW2がオフの状態です。このとき、図1の等価回路は図2(a)のように表されます。このとき、出力インダクタLにはエネルギーが蓄えられます。 図2(a).
差動アンプは,テール電流が増えるとゲインが高くなります.ゲインが高くなると 図2 のV(tank)のプロットのようにTank端子とBias端子間の並列共振回路により発振し,Q 4 のベースに発振波形が伝わります.発振波形はQ 4 からQ 5 のベースに伝わり,発振振幅が大きいとC 1 からQ 5 のコレクタを通って放電するのでAGC端子の電圧は低くなります.この自動制御によってテール電流が安定し,V(tank)の発振振幅は一定となります. Q 2 とQ 3 はコンパレータで,Q 2 のベース電圧(V B2)は,R 10 ,R 11 ,Q 9 により「V B2 =V 1 -2*V BE9 」の直流電圧になります.このV B2 の電圧がコンパレータのしきい値となります.一方,Q 4 ベースの発振波形はQ 4 のコレクタ電流変化となり,R 4 で電圧に変換されてQ 3 のベース電圧となります.Q 2 とQ 3 のコンパレータで比較した電圧波形がQ 1 のエミッタ・ホロワからOUTに伝わり, 図2 のV(out)のように,デジタルに波形整形した出力になります. ●発振波形とデジタル波形を確認する 図3 は, 図2 のシミュレーション終了間際の200ns間について,Tank端子とOUT端子の電圧をプロットしました.Tank端子は正弦波の発振波形となり,発振周波数をカーソルで調べると50MHzとなります.式1を使って,発振周波数を計算すると, 図1 の「L 1 =1μH」,「C 3 =10pF」より「f=50MHz」ですので机上計算とシミュレーションの値が一致することが分かりました.そして,OUTの波形は,発振波形をデジタルに波形整形した出力になることが確認できます. 図3 図2のtankとoutの電圧波形の時間軸を拡大した図 シミュレーション終了間際の200ns間をプロットした. ●具体的なデバイス・モデルによる発振周波数の変化 式1は,ダイオードやトランジスタが理想で,内部回路が発振周波数に影響しないときの理論式です.しかし,実際はダイオードとトランジスタは理想ではないので,式1の発振周波数から誤差が生じます.ここでは,ダイオードとトランジスタへ具体的なデバイス・モデルを与えてシミュレーションし, 図3 の理想モデルの結果と比較します. 図1 のダイオードとトランジスタへ具体的なデバイス・モデルを指定する例として,次の「」ステートメントに変更します.このデバイス・モデルはLTspiceのEducationalフォルダにある「」中で使用しているものです.
6VとしてVoutを6Vにしたい場合、(R1+R2)/R2=10となるようR1とR2の値を選択します。 基準電圧Vrefとしては、ダイオードのpn接合で生じる順方向電圧ドロップ(0. 6V程度)を使う方法もありますが、温度に対して係数(kT/q)を持つため、精度が必要な場合は温度補償機能付きの基準電圧生成回路を用います。 発振回路 発振回路は、スイッチング動作に必要な一定周波数の信号を出力します。スイッチング周波数は一般に数十KHzから数MHzの範囲で、たとえば自動車アプリケーションでは、AMラジオの周波数帯(日本では526. 5kHzから1606.
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) 式2より「ω=2πf」なので,共振周波数を表す式は,(a)の式となり,Tank端子が共振周波数の発振波形になります.また,Tank端子の発振波形は,Q 4 から後段に伝達され,Q 2 とQ 3 のコンパレータとQ 1 のエミッタ・ホロワを通ってOUTにそのまま伝わるので,OUTの発振周波数も(a)の式となります. ●MC1648について 図1 は,電圧制御発振器のMC1648をトランジスタ・レベルで表し,周辺回路を加えた回路です.MC1648は,固定周波数の発振器や電圧制御発振器として使われます.主な特性を挙げると,発振周波数は,周辺回路のLC共振回路で決まります.発振振幅は,AGC(Auto Gain Control)により時間が経過すると一定になります.OUTからは発振波形をデジタルに波形整形して出力します.OUTの信号はデジタル回路のクロック信号として使われます. ●ダイオードとトランジスタの理想モデル 図1 のダイオードとトランジスタは理想モデルとしました.理想モデルを用いると寄生容量の影響を取り除いたシミュレーション結果となり,波形の時間変化が理解しやすくなります.理想モデルとするため「」ステートメントは以下の指定をします. DD D ;理想ダイオードのモデル NP NPN;理想NPNトランジスタのモデル ●内部回路の動作について 内部回路の動作は,シミュレーションした波形で解説します. 図2 は, 図1 のシミュレーション結果で,V 1 の電源が立ち上がってから発振が安定するまでの変化を表しています. 図2 図1のシミュレーション結果 V(agc):C 1 が繋がるAGC端子の電圧プロット I(R 8):差動アンプ(Q 6 とQ 7)のテール電流プロット V(tank):並列共振回路(L 1 とC 3)が繋がるTank端子の電圧プロット V(out):OUT端子の電圧プロット 図2 で, 図1 の内部回路を解説します.V 1 の電源が5Vに立ち上がると,AGC端子の電圧は,電源からR 13 を通ってC 1 に充電された電圧なので, 図2 のV(agc)のプロットのように時間と共に電圧が高くなります. AGC端子の電圧が高くなると,Q 8 ,D1,R7からなるバイアス回路が動き,Q 8 コレクタからバイアス電流が流れます.バイアス電流は,R 8 の電流なので, 図2 のI(R 8)のプロットのように差動アンプ(Q 6 ,Q 7)のテール電流が増加します.
こんにちは。 MUJIキャナルシティ博多です。 収納事例第2弾はリビングです。 私のリビングは約7畳ほど。こんな感じです。 テレビ台として使っているのは、スタッキングキャビネットBセットです。 右側の扉はデコーダーは上に置いていて、その上の白いケースにルーターや延長コードをしまっています。 線をかじってしまうので、配線処理は大切です。 テレビは42インチです。扉を開けたらこんな感じ。 あ、おじゃま虫が・・・ 右側は複合機がピッタリ入っています。あまり使わないものはしまってます。 その隣はポリプロピレンファイルボックススタンダード・25㎝タイプ・1/2に 大事な書類とコピー用紙が入っています。 そして次の収納は・・・ 左側の扉は貴重品です。やわらかポリエチレンケースをサイズ違いで使い分けています。 メイクボックスにはポリプロピレン小物ケース・Lに印鑑を、ポリプロピレンカードボックスには使用頻度に分けてたまりがちなカードを入れています。 外出するときにそこから使うものだけを取り出して、ポリプロピレンカードケースに入れて持ち出します。 さきほどちょこっと出ていたウサギ。お気づきの方もいらっしゃるのでは? うちの娘のゲージもリビングにあります。 ゲージでくつろいでますね。 ゲージのとなりのステンレスユニットシェルフ・ワイド中、棚板はオーク材です。 ここには娘の身の回りのモノを収納しています。 綿麻混ポリエステルソフトボックスには、主食の牧草をやペレット(固形のフード)を。 ポリプロピレンウエットシートケースにはもちろん、トイレ掃除用のウエットシートを。 その下の粉もの保存容器 実容量1. 5Lには紙製のトイレの砂を入れています。 やわらかポリエチレンケース・中にはトイレシートがピッタリ。 しまいたいものを使う目的別で収納すると、動作も少なくなり見つけやすくもなりますよ。 リビングにはまだ収納家具があるので、次回をお楽しみに。 MUJIキャナルシティ博多には収納のお困りごとを解決してくれるインテリアアドバイザーとストレイジアドバイザーがいます。 どんな小さなことでもお声かけくださいね。 お待ちしています。 MUJIキャナルシティ博多
5cmで将来的に50インチ以上のテレビを置いてもバランス的に全く問題ありません。 この商品、組み立ては自分でするのですが、組み立て方が悪かったか、元からの精度が悪かったのかわかりませんが、若干扉が曲がっています。 まぁ、あんまり細かいことは気にしないタチですし、言われなきゃ分からないと思うので特に気になりません。 ちなみに木製の扉だと、中に入れたAV機器をリモコン操作することは出来ません。 リモコン操作したい場合は扉をガラス製にした方が良いですね。 うちはこの中にリモコン操作が必要なAV機器は無いorあっても使わないので問題なしです。 後ろはこんな感じです 裏面は木の板で閉じられていて、配線を出す穴が左右2カ所開いています。 扉の中は上下に分けられた棚になっています。 下のフローリングと接している部分は樹脂製?の足が付いています。 この足は3. 5㎝しかなく、ルンバどころかクイックルワイパーで掃除するのも大変だったので、高さを出すため&フローリングの保護をかねて100均のクッション材を敷いています。 奥行きは39.
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