スイッチを理解する

Nov 14, 2023

以前、スイッチモード電圧レギュレーションの高レベルの概念的な概要を説明しました。 この理論的な処理に続いて、LTSpice を使用してスイッチ モード降圧コンバータをシミュレートする電流と電圧の動作を徹底的に調査したいと思います。

ここで扱う回路は、図 1 の回路図に示されています。これは、降圧コンバータまたは降圧コンバータとして知られています。

降圧コンバータまたは降圧コンバータを使用すると、電源管理回路の一般的なタスク、つまり 12 または 28 V などの標準システム レベルの電圧を、低電圧電源に適した 5 または 3.3 V の電源レールに下げることができます。電圧エレクトロニクス。

「助けて」と言ったのは、図 1 のトポロジはスイッチモード レギュレータの電力段にすぎないからです。 フィードバックがないため、指定された出力電圧にロックできないため、完全なレギュレータではありません。

シミュレーションと解析に入る前に、この LTspice 回路図のあまり説明が必要でないいくつかの側面について説明しましょう。

物理コンバータ回路の電源スイッチは通常、電界効果トランジスタです。 このシミュレートされた回路では、仕様が .model MYSW SW(...) ステートメントによって決定される電圧制御スイッチを使用しています。 スイッチング特性は非常に良好ですが、完全に理想的ではありません。

VSWITCH は、スイッチをオンまたはオフにする矩形波を生成します。 .param ステートメントを使用して、キーの切り替え特性を簡単に制御できるさまざまなパラメーターを定義しました。 発振器の周波数とデューティ サイクルを指定します。これらは、回路の動作を直観的に考えるために脳が必要とする値です。 これらは、LTspice の PULSE 関数で必要な値である周期とオンタイムを計算するために使用されます。

出力コンデンサはコンバータの動作に不可欠であるため、シミュレーション回路と物理回路の両方で必要です。 物理回路には入力コンデンサも必要です。これは、ソース インピーダンスを低減し、コンバータが入力電源から強力なバースト電流をよりスムーズに引き出せるようにするという重要な目的を果たします。 私の SPICE 実装では入力電源の直列インピーダンスがゼロなので、入力コンデンサは必要ありません。

図 1 に示すインダクタンス (100 μH) とキャパシタンス (1 μF) の値は、この TI アプリケーション ノートにある式を使用して計算した妥当な開始点です。 コンデンサとインダクタの値の影響については、今後の記事で検討します。

まず、デューティ サイクル 50%、負荷抵抗 1 kΩ でシミュレーションを実行してみましょう。 図 2 は、時間の経過に伴う出力電圧のプロットです。 出力電圧が定常状態の値に達するまでには時間がかかることに注意してください。

チャージポンプと呼ばれるコンデンサベースのスイッチャを含むスイッチモードコンバータには、出力コンデンサの充電に必要な時間に応じた起動遅延があります。 どこかに常に充電する必要のある静電容量が存在するため、これはほぼすべての回路で発生します。

ただし、スイッチャーを使用すると、充電電流がスイッチング動作によって制限され、充電される静電容量の量が比較的大きいため、起動時間がかなり長くなる可能性があります。

図 2 に示すように、入力電圧が 12 V の場合、定常状態の出力電圧は約 10.5 V です。デューティ サイクルは 50% ですが、なぜ出力電圧が入力電圧の 50% よりはるかに高いのでしょうか?

前回の記事を読んだことがあれば、フィルタリングされた電圧の大きさが PWM 波形のデューティ サイクルに直接対応する図 (図 3 で繰り返します) を見たことがあるでしょう。

ただし、この図は PWM 波形のフィルタリングの効果のみを示しています。 一方、スイッチ モード コンバータでは、PWM デューティ サイクルは、VIN と VOUT の比に影響を与えるさまざまな要因の 1 つにすぎません。 デューティ サイクルを 50% のままにして、インダクタの値、負荷抵抗の量、またはスイッチング周波数を変更することで出力電圧を大幅に変更できます。