スイッチング電圧レギュレータとは何ですか?

スイッチングレギュレータは、安定した電源電圧を効率的に生成し、電圧を上下に変換するために不可欠な回路です。

大量の電流を駆動できる安定した電圧を生成することは、電子設計の基本的なタスクの XNUMX つです。 低電圧電子回路の基本モデルは次のようになります。

1. 十分な電流駆動能力を備えた電圧が、システムへの主要入力の XNUMX つとして提供されます。
2. この入力電圧は、回路内で直接使用するには高すぎるか変動しすぎる可能性があり、受電コンポーネントの仕様に対応する大き​​さを持つ XNUMX つ以上の調整された電源電圧に変換されます。
3. これらのコンポーネント (マイクロコントローラー、オペアンプなど) は、安定化された電源電圧を使用して、回路に必要な機能を実行します。

これを実現するにはさまざまな方法があります。 私が最初に回路設計を始めたときは、可能な限り、由緒ある 7805 などのリニア電圧レギュレータを使用しました。 しかし今日では、多くの場合スイッチングレギュレータが優れた方法であることは否定できません。私の経験では、スイッチングレギュレータは優れた方法です。 通常 優れた方法。

この記事では、その命名法について説明し、次にスイッチング規制の基本原理を探っていきます。

スイッチングレギュレータの用語

「スイッチング (電圧) レギュレータ」は、おそらくこのクラスの回路を表す最も一般的でわかりやすい用語です。 ただし、次の用語のさまざまな組み合わせも表示されます。

• スイッチモード電源 (SMPS)
• スイッチャーとかスイッチとか
• コンバーターまたはレギュレーター
• DC / DC

私は実際には「スイッチモード レギュレータ」または「スイッチモード電源」の方が好きです。なぜなら「スイッチモード」のほうがこれらの回路の性質をうまく伝えているからです。 モード これにより、電圧を調整または変換するというタスクが完了します。

これらすべての用語にはあいまいさがあり、問題が生じることはほとんどありませんが、それでも注目に値します。「スイッチング レギュレータ」または「スイッチ モード電源」は、理論的には、スイッチと組み合わせて使用​​して電源レールを生成する回路を指す可能性があります。インダクタまたは コンデンサ.

インダクタベースのスイッチモード電源とコンデンサベースのスイッチモード電源の比較

ただし、実際には、上記の用語はインダクタベースのスイッチャ用に予約されています。 図 1 は、インダクタベースのスイッチング モード レギュレータの例です。 スイッチモード電源の大部分はインダクタベースです。 これらがこの記事の主な焦点になります。

図1。 インダクタベースのスイッチング電源の基本トポロジー。 画像（変更済み）はウィキメディア・コモンズの厚意により使用

図 2 の回路例のようなコンデンサベースのスイッチャは、通常、「チャージ ポンプ」電源または「スイッチト キャパシタ」電源と呼ばれます。 図 1 と図 2 はどちらも、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する回路の例です。

図2。 コンデンサベースのスイッチング電源の基本トポロジー。 

リニア電圧レギュレーション

ここで、図 3 に示すように、リニア レギュレータについて考えてみましょう。リニア レギュレータは電圧を下げることしかできないため、入力電圧が出力電圧よりも高いことがわかっています。

図3。 リニア電圧調整のブロック図。 作者のイメージ

リニアレギュレータの動作には少量の電流が必要です。 これは地電流と呼ばれます。 グランド電流は無視できるほど小さいことが多いため、これを無視し、レギュレータに流れ込む電流がレギュレータから出て給電負荷回路に流れ込む電流と等しいと仮定します。

次に、力について考えてみましょう。 電力は電圧と電流の積として計算されます。 等しい電流 焙煎が極度に未発達や過発達のコーヒーにて、クロロゲン酸の味わいへの影響は強くなり、金属を思わせる味わいと乾いたマウスフィールを感じさせます。 低電圧 入力に対して電力がどこかで失われるはずです。 リニア レギュレータは、電圧降下を伴う単純な抵抗素子であると想像することもできます。

$$V_{DROP} = V_{IN} – V_{OUT}$$

この場合、リニアレギュレータの消費電力、P_REG 次のとおりです。

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

実際、リニア レギュレータのコンポーネントの XNUMX つはスイッチです。電気機械スイッチではなく、純粋に電気スイッチとして機能できるトランジスタです。 ただし、スイッチはオン/オフしないため、リニア レギュレータをスイッチング レギュレータとは呼びません。 代わりに、スイッチは大きな抵抗を持つ中間状態で動作し、この抵抗によって電力が消費され、電圧が低下します。

線形調整はシンプルで非常に効果的ですが、非効率的です。 スイッチは中間の抵抗状態で動作し、潜在的に大量の電力を熱として放散します。 レギュレーターをレギュレーターとして機能させたい場合を除き、 & 電気ヒーターの場合、この電力は無駄になります。

スイッチモード電圧レギュレーション

これがスイッチモードレギュレータの概念につながります。 スイッチを完全にオンまたは完全にオフに保つことができれば、言い換えれば、消費電力の高い中間領域を回避できれば、より効率的なレギュレータを作成することができます。 しかし、リニアレギュレータに関する私たちの議論は、電圧を下げるために無駄な電力が必要であることを示唆しています。 何をするか？

ここでインダクタが登場します。インダクタは、インダクタを流れる電流が瞬時に変化しないようにエネルギーを蓄積および放出します。 オン/オフのスイッチング動作により、インダクタ電流が徐々に増加および減少します。 インダクタをコンデンサと組み合わせると、結果として得られる LC フィルタは、オン/オフ波形を比較的安定した電圧に平滑化できます。 平滑化された電圧の大きさは、オン/オフ波形のデューティ サイクルによって決まります。

たとえば、図 4 を見てみましょう。フィルタリング後、さまざまなデューティ サイクル (この例では 10%、50%、90%) がさまざまな DC 電圧レベル (赤い曲線で示されています) に対応します。 フィルタリング後にリップルがいくらか残るため、これらの DC 電圧レベルは完全に平坦ではありません。

図4。 PWM デューティ サイクルの関数としての DC 電圧レベル。 作者のイメージ

したがって、スイッチを高周波でオン/オフし、パルス幅変調とフィルタリングを使用して目的の DC 出力電圧を生成できます。 フィードバック信号を監視し、負荷条件に応じて PWM デューティ サイクルを調整することもできます。 これは、スイッチング レギュレータ回路の基本的な動作モードです。オン/オフのスイッチング動作にもかかわらず、一貫した負荷電流を供給するための誘導フィルタリングです。 電圧を調整するためのフィードバックとPWM。

スイッチは高周波で動作していますが、依然としてほとんどの時間を低消費電力状態 (つまり、完全にオンおよび完全にオフの状態) で過ごします。 これが、スイッチングレギュレータがリニアレギュレータよりもはるかに効率的である理由です。

もちろん、ここで説明していない詳細やバリエーションはたくさんありますが、これをすべて理解していれば、さらなる学習のための強固な基盤が得られます。

スイッチング電圧レギュレータ回路の例: 降圧コンバータ

図 5 は、降圧コンバータとも呼ばれる降圧コンバータの基本トポロジを示しています。 スイッチモード動作を使用して、DC 入力電圧の大きさを低減します。 (変動する負荷条件にもかかわらず安定した電圧を維持するために必要なフィードバック サブシステムが含まれていないため、厳密に言えば、これは電圧レギュレータではないことに注意してください。)

図5。 スイッチング電圧レギュレータ回路のタイプの例: バックコンバータ。