■問題 IC内部回路 ― 上級 図1 は,電圧制御発振器IC(MC1648)を固定周波数で動作させる発振器の回路です.ICの内部回路(青色で囲った部分)は,トランジスタ・レベルで表しています.周辺回路は,コイル(L 1)とコンデンサ(C 1 ,C 2 ,C 3)で構成され,V 1 が電圧源,OUTが発振器の出力となります. 図1 の発振周波数は,周辺回路のコイルとコンデンサからなる共振回路で決まります.発振周波数を表す式として正しいのは(a)~(d)のどれでしょうか. 図1 MC1648を使った固定周波数の発振器 (a) (b) (c) (d) (a)の式 (b)の式 (c)の式 (d)の式 ■ヒント 図1 は,正帰還となるコイルとコンデンサの共振回路で発振周波数が決まります. (a)~(d)の式中にあるL 1 ,C 2 ,C 3 の,どの素子が内部回路との間で正帰還になるかを検討すると分かります. ■解答 (a)の式 周辺回路のL 1 ,C 2 ,C 3 は,Bias端子とTank端子に繋がっているので,発振に関係しそうな内部回路を絞ると, 「Q 11 ,D 2 ,D 3 ,R 9 ,R 12 からなる回路」と, 「Q 6 とQ 7 の差動アンプ」になります. まず,Q 11 ,D 2 ,D 3 ,R 9 ,R 12 で構成される回路を見ると,Bias端子の電圧は「V Bias =V D2 +V D3 =約1. 電圧 制御 発振器 回路单软. 4V」となり,直流電圧を生成するバイアス回路の働きであるのが分かります.「V Bias =V D2 +V D3 =約1. 4V」のV D2 がダイオード(D 2)の順方向電圧,V D3 がダイオード(D 3)の順方向電圧です.Bias端子とGND間に繋がるC 2 の役割は,Bias端子の電圧を安定にするコンデンサであり,共振回路とは関係がありません.これより,正解は,C 2 の項がある(c)と(d)の式ではありません. 次に,Q 6 とQ 7 の差動アンプを見てみます.Q 6 のベースとQ 7 のコレクタは接続しているので,Q 6 のベースから見るとQ 7 のベース・コレクタ間にあるL 1 とC 3 の並列共振回路が正帰還となります.正帰還に並列共振回路があると,共振周波数で発振します.共振したときは式1の関係となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1) 式1を整理すると式2になります.
図6 よりV 2 の電圧で発振周波数が変わることが分かります. 図6 図5のシミュレーション結果 図7 は,V 2 による周波数の変化を分かりやすく表示するため, 図6 をFFTした結果です.山がピークになるところが発振周波数ですので,V 2 の電圧で発振周波数が変わる電圧制御発振器になることが分かります. 図7 図6の1. 8ms~1. 9ms間のFFT結果 V 2 の電圧により発振周波数が変わる. 以上,解説したようにMC1648は周辺回路のコイルとコンデンサの共振周波数で発振し,OUTの信号は高周波のクロック信号として使います.共振回路のコンデンサをバリキャップに変えることにより,電圧制御発振器として動作します. ■データ・ファイル 解説に使用しました,LTspiceの回路をダウンロードできます. ●データ・ファイル内容 :図1の回路 :図1のプロットを指定するファイル MC1648 :図5の回路 MC1648 :図5のプロットを指定するファイル ■LTspice関連リンク先 (1) LTspice ダウンロード先 (2) LTspice Users Club (3) トランジスタ技術公式サイト LTspiceの部屋はこちら (4) LTspice電子回路マラソン・アーカイブs (5) LTspiceアナログ電子回路入門・アーカイブs (6) LTspice電源&アナログ回路入門・アーカイブs (7) IoT時代のLTspiceアナログ回路入門アーカイブs (8) オームの法則から学ぶLTspiceアナログ回路入門アーカイブs
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).
SW1がオンでSW2がオフのとき 次に、スイッチ素子SW1がオフで、スイッチ素子SW2がオンの状態です。このときの等価回路は図2(b)のようになります。入力電圧Vinは回路から切り離され、その代わりに出力インダクタLが先ほど蓄えたエネルギーを放出して負荷に供給します。 図2(b). SW1がオフでSW2がオンのとき スイッチング・レギュレータは、この二つのサイクルを交互に繰り返すことで、入力電圧Vinを所定の電圧に変換します。スイッチ素子SW1のオンオフに対して、インダクタLを流れる電流は図3のような関係になります。出力電圧Voutは出力コンデンサCoutによって平滑化されるため基本的に一定です(厳密にはわずかな変動が存在します)。 出力電圧Voutはスイッチ素子SW1のオン期間とオフ期間の比で決まり、それぞれの素子に抵抗成分などの損失がないと仮定すると、次式で求められます。 Vout = Vin × オン期間 オン期間+オフ期間 図3. スイッチ素子SW1のオンオフと インダクタL電流の関係 ここで、オン期間÷(オン期間+オフ期間)の項をデューティ・サイクルあるいはデューティ比と呼びます。例えば入力電圧Vinが12Vで、6Vの出力電圧Voutを得るには、デューティ・サイクルは6÷12=0. 5となるので、スイッチ素子SW1を50%の期間だけオンに制御すればいいことになります。 基準電圧との比で出力電圧を制御 実際のスイッチング・レギュレータを構成するには、上記の基本回路のほかに、出力電圧のずれや変動を検出する誤差アンプ、スイッチング周波数を決める発振回路、スイッチ素子にオン・オフ信号を与えるパルス幅変調(PWM: Pulse Width Modulation)回路、スイッチ素子を駆動するゲート・ドライバなどが必要です(図4)。 主な動作は次のとおりです。 まず、アンプ回路を使って出力電圧Voutと基準電圧Vrefを比較します。その結果はPWM制御回路に与えられ、出力電圧Voutが所定の電圧よりも低いときはスイッチ素子SW1のオン期間を長くして出力電圧を上げ、逆に出力電圧Voutが所定の電圧よりも高いときはスイッチ素子SW2のオン期間を短くして出力電圧Voutを下げ、出力電圧を一定に維持します。 図4. スイッチング・レギュレータを 構成するその他の回路 図4におけるアンプ、発振回路、ゲートドライバについて、もう少し詳しく説明します。 アンプ (誤差アンプ) アンプは、基準電圧Vrefと出力電圧Voutとの差を検知することから「誤差アンプ(Error amplifier)」と呼ばれます。基準電圧Vrefは一定ですので、分圧回路であるR1とR2の比によって出力電圧Voutが決まります。すなわち、出力電圧が一定に維持された状態では次式の関係が成り立ちます。 例えば、Vref=0.
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(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.
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