DC/DC 降圧コンバーター

降圧コンバータは、DC入力よりも小さいDC出力電圧を生成します。言い換えれば、電源電圧を座屈させるか下げるということです。一般的に使用されるリニアレギュレータは、抵抗器で電力を熱として放散することで電圧を降圧しますが、入力電圧と出力電圧の差が大きいと非常に非効率的になります。抵抗部品はジュール加熱によって電力を浪費しますが、降圧コンバータは、理想的には電力を消費しない反応性部品を使用しており、その結果、利用可能な電流の増加に対応して電圧を効率的に低下させることができます。降圧コンバータでは、スイッチがDC電源をトラップして、AC入力をローパスフィルタに生成します。ローパスフィルタはインダクタとコンデンサで構成されており、寄生抵抗によるわずかな損失で平均電圧を抽出します。その結果、出力電圧は入力電圧以下になります。このビデオでは、降圧コンバータの構造を説明し、コンバータの動作条件の変更が出力電圧にどのように影響するかを調査します。

この降圧コンバータ回路は、電子スイッチを使用してインダクタをDC電源に接続および切断します。このスイッチは、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはその他の同様の電子デバイスである可能性があります。インダクタとコンデンサは、スイッチが開いているときにインダクタ電流の経路を提供するダイオードを備えたローパスフィルタを構成します。ローパスフィルタの出力は負荷に接続されます。デジタルパルス列は、オン時間と周期の比率であるデューティ比Dでスイッチを開閉します。スイッチが閉じられると、ローパスフィルタへの入力は電源電圧Vinに接続されます。ダイオードは逆バイアスされて導通せず、インダクタに電流が流れます。スイッチが開いているとき、このインダクタ電流は同じ方向に継続する必要があり、ダイオードは順方向にバイアスされて完全な電流ループを形成します。ローパスフィルタへの入力では、このスイッチ整流により、V入力間をほぼ0ボルトで振動する矩形波が生成されます。一部のリップルを除き、フィルターの出力は矩形波の平均であり、デューティ比が増加すると矩形波は増加します。十分に高いスイッチング周波数では、コンデンサの充電時間と放電時間は短くなります。そのため、電圧リップルが小さくなり、その結果、DC入力からクリーンなDC出力がステップダウンされます。インダクタとコンデンサは反応性部品であるため、抵抗性電力損失がないのが理想的です。理想的なLCフィルタは、100%の効率で負荷に電力を渡すことができます。実際には、インダクタのワイヤ抵抗と回路内の他の寄生抵抗により、効率が80〜95%の範囲に低下します。降圧コンバータの基本について説明したので、降圧コンバータが電圧を降圧し、インダクタが常にゼロ以外の電流で動作する状態である導通モード(CCMとも呼ばれる)として継続する方法を見てみましょう。

これらの実験では、さまざまなDC-DCコンバータ回路トポロジの実験用に設計されたHiRel Systemsの電柱ボードを利用しています。まず、信号供給スイッチS90がオフになっていることを確認します。次に、信号供給をDINコネクタJ90に差し込みます。PWM制御選択ジャンパJ62およびJ63を開ループ位置に設定します。DC 電源をプラスの 24 ボルトに調整しますが、電源出力をボードに接続しないでください。上のMOSFET、下のダイオード、およびBB磁気ボードで回路を構築します。インダクタの値をBB磁気基板に記録します。負荷抵抗RLはパワーポテンショメータです。マルチメータを使用して、抵抗を読み取り、12オームに調整します。次に、端子V2+とCOMの間に負荷抵抗を接続し、スイッチセレクターバンクS30を次のように設定します。上位MOSFETへのPWM、オンボードPWMを使用し、負荷をオフに切り替えます。次に、オシロスコープの差動プローブを、上部MOSFETのゲートである端子15とソースである端子11の間に接続します。信号供給スイッチS90をONにし、MOSFETを駆動するパルス列を観察します。周波数調整ポテンショメータRV60を設定して、100キロヘルツのスイッチング周波数を生成します。デューティ比ポテンショメータRV63を設定して、パルスのオン時間が5マイクロ秒になるようにします。

差動スコーププローブは、上部MOSFETのゲートとソースである端子15と11の間を接続したままにしておきます。負荷抵抗RL両端の電圧を測定するには、端子V2+とCOMの間にもう一方の差動プローブを接続し、DC電源を入力端子V1+とCOMに接続します。出力電圧の三角波形式とスイッチング信号の矩形パルス列を観察します。出力電圧の上昇は、降圧コンバータのスイッチが閉じられ、インダクタがエネルギーをコンデンサと負荷に伝達しているときに発生します。下降のランプは、スイッチが開いているときに発生し、インダクタが入力電圧源から切断され、コンデンサが蓄積されたエネルギーの一部を負荷に放出しているときに発生します。次に、出力電圧の平均値とゲートソース電圧のオン時間を測定します。入力電流と電圧の読み取り値をメモしますtageDC電源から。デューティ比ポテンショメータRV64を調整した後、このテストを繰り返して、パルス列のデューティ比が0.4、0.6、0.7になるようにします。デューティ比Dが増加すると、降圧コンバータの平均出力電圧も増加します。理想的には、D の値が 0.3 の場合、24 ボルトの入力で約 7.2 ボルトの出力が生成されます。同様に、Dが0.5の場合、出力は約12ボルトになり、Dが0.7の場合、出力は約16.8ボルトになります。

デューティ比を0.5に設定し、入力DC電源を端子V1+とCOMに接続し、RV60を設定してスイッチング周波数を100キロヘルツにします。以前と同様に、出力電圧波形は、矩形波入力に作用するローパスフィルタから生じる三角波です。ゲートソース電圧は、周波数が100キロヘルツのデジタルパルス列です。10 マイクロ秒の周期と 5 マイクロ秒のオン時間。出力電圧の平均値とゲート-ソース間電圧のオン時間を測定します。入力電流と電圧の読み取り値をメモしますtageDC電源から。RV60を10、20、40キロヘルツのスイッチング周波数に調整し、デューティ比を0.5に固定した後、このテストを繰り返します。周波数が増加すると、コンデンサの充電時間と放電時間も減少するため、出力リップルは減少します。一般に、この実験では出力電圧は理想的な関係から予想よりも低くなっています。この偏差は、インダクタのワイヤ抵抗や回路内の他の抵抗などの寄生要素の結果であり、理想的でない電圧降下や説明されていないエネルギー損失を生み出します。

降圧コンバータは、適切に制御された電圧レギュレーションとそれに伴う電流のステップアップを提供するため、変換プロセスでの電力損失を最小限に抑えるアプリケーションにとって非常に重要です。ラップトップの消費電力は、1.8ボルトまたは0.8ボルトで動作するマイクロプロセッサの開発により大幅に減少しました。ラップトップやリモートコントロールデバイスは、降圧コンバータを使用してリチウム電池の電圧をこれらの低い値に下げ、有用な電池寿命を延ばし、電池電流をステップアップして、数百万個のトランジスタを備えた集積回路のニーズを供給します。携帯電話などの電子機器は、公称セル電圧が約3.6〜3.7ボルトのリチウムイオン電池を使用しています。ただし、USBコネクタを備えた標準化されたバッテリー充電器は5ボルトを供給します。電子機器の降圧コンバータは、USB出力をリチウムイオンバッテリの充電に必要な低電圧まで降圧します。

Joveの降圧コンバータの紹介をご覧になりました。これで、それらの動作と、DC出力がデューティ比とスイッチング周波数にどのように依存するかを理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます。