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超初心者向けアナログ回路 第1回 スイッチングレギュレータの基礎の基礎

はじめに

アナログ回路を学びたいけど「アナログって難しい!」「どう勉強したらいいの?」と悩んでいる方、いっらしゃいませんか?実は、私もそんな一人です。普段はデジタル回路中心に仕事をしているのですが、基板上の回路にはアナログ部分がたくさん実装されており、ひとたび、問題が起きるとアナログ知識の無さを痛感させられます。

幸い、私の周りには経験豊富なアナログ技術者が多く助けてもらえますが、できることなら知識を身に着けたいものです。この記事では私のようにアナログ知識を身に着けたいという方のお役に立てばと思い、私が先輩社員から学んだアナログ知識をちょっとずつ記載させて頂きます。

初回は電源、特にスイッチングレギュレータの基礎の基礎についてです。

リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの違いって何?

最初は電源でよく聞かれるリニアレギュレータとスイッチングレギュレータについてです。既にご存じの方が多いと思いますので簡単にご説明します。

下図にリニアレギュレータとスイッチングレギュレータ(降圧型)の概略図、それぞれのメリット・デメリットをまとめました。2つは入力電圧より低い出力電圧を生成する回路ですが、リニアレギュレータは抵抗イメージ(ドロップ電圧を自身で損失)で電圧を下げるのに対し、スイッチングレギュレータはディーティー比を変えて電圧を降下させます。どちらのレギュレータを使用するかは負荷や下げる電圧、ノイズ、効率などを基準に選びます。

※現在のリニアレギュレータはLDO(Low Drop Out)が主流です。
 LDOは入力電圧と出力電圧の差が小さくても安定した出力電圧が得られる製品です。

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リニアレギュレータ と スイッチングレギュレータの違い

スイッチングレギュレータの同期・非同期って何?

次に、スイッチングレギュレータの同期・非同期についてです。下の図はスイッチングレギュレータ(降圧型)の同期・非同期整流の概略図です。

スイッチングレギュレータにはインダクタを接続しますが、FETがONの時、電流はインダクタを通り負荷に流れます。次にFETがOFFした時、インダクタ自体に流れていた電流を維持しようとします。このFETがOFFした時の電流パスを作るためにダイオードを使用したものを非同期整流、FETを使用したものを同期整流と言います。
※通常の非同期整流ではVFの小さいショットキー ダイオードを使用するのが一般的です。

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スイッチングレギュレータ(降圧型)の非同期整流と同期整流の違い

電源トポロジーと動作波形

非同期整流型のスイッチングレギュレータには降圧型、反転型、昇圧型、昇降圧型があります。外付けのFET、インダクタ、ダイオードの位置がそれぞれ異なり、FETのON/OFF時の電流の流れがかわります。ここでは分かりやすい例として降圧型、反転型、昇圧型の違いを記しました。

降圧型レギュレータ

ステップダウンやバックコンバータとも呼ばれ、入力電圧より低い出力電圧を生成します。FET ON/OFFのディーティー比で出力電圧が決定します。
スイッチがOFFした時、インダクタは電流を保持させるためダイオードを通じて電流が流れます。

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電源トポロジーと動作波形_降圧型

反転型レギュレータ

インバーティングやバックブーストとも呼ばれ、正電源から負電源を生成することができます。
スイッチがOFFした時、インダクタは電流を保持させるためダイオードを通じて電流を引き込みます。

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電源トポロジーと動作波形_反転型

昇圧型コンバータ

ステップアップやブーストコンバータと呼ばれ、入力電圧より高い出力電圧を生成します。
スイッチがOFFした時、インダクタ電流を保持させるため蓄えたエネルギーを放出し、コンデンサにチャージします。

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電源トポロジーと動作波形_昇圧型


スイッチングレギュレータはその名の通り、ON/OFFのスイッチングで出力電圧が決まります。わかってしまえばスイッチングレギュレータの動作は簡単ですね。

でも、新たに疑問が湧いてきませんか?データシートを見るとスイッチング周波数なるものが書かれていて、高い周波数から低い周波数と様々な製品があります。

この違いはなんだろう。。。スイッチング周波数の違いで何が変わるの? 

実は。。。設計に関わる、結構大きな影響があるんです!
こちらの記事「スイッチング周波数の違いで何が変わる?」も是非、ご覧ください。


超初心者向けアナログ回路シリーズ

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