Studioアナログ回路、カメラ、PC、車に関するブログです。Studio電子回路LTSpiceこんにちは。今回はDC/DCコンバータの種類と特徴についてまとめます。DC/DCコンバータは最近では殆ど全ての電化製品に入っているのではないでしょうか?発熱が少なく直流電圧を上げたり下げたりを自由にできるので近年の小型製品には必須技術です。そこで、まずは基本となる回路構成と動きを見ていきましょう。最近は専用のICが数多く出ており容易に設計できますが、それでも動作原理を理解していないと効率良く十分な性能のDC/DCコンバータの設計は難しいです。LTSpiceがあると便利なので、未インストールの方は以下の記事を参考にして下さい。LinksDC/DCコンバータの一覧まずはどんな種類があるのか一覧にまとめました。<基本形>一般的なDC/DCになります。使われるのは降圧のBuckコンバータでしょう。スマホの充電器やPC電源などにも数多く使われています。低い電圧に変換できる。動作原理が簡単で理解しやすい。出力リプル電流が小さい。入力電圧よりも高い電圧に変換できる。Buck型よりも直感的に分かりにくいが、動作原理は理解しやすい。入力リプル電流が小さい。入力電圧と符号が反転した電圧に変換できる。絶対値は入力電圧より高くも低くもできる。動作原理は理解しやすい。入力電圧よりも極端に低い電圧に変換することが難しい。入力リプル電流が大きい。入力電圧よりも極端に高い電圧に変換することが難しい。Buck型に比べてインダクタが大きくなりやすい。出力リプル電流が大きい。入出力のリプル電流が大きい。絶対値が極端に異なる電圧に変換することが難しい。コスト比較的安価にできる。100%デューティ出力が不要ならICも非常に安価で入手できる。Buck型に比べるとやや高価となる。スイッチの出力側に負電位が加わるのでやや高価になりやすい。出力電圧が低ければBuck型を流用できるのでBuck型と同程度となる。<昇降圧系>昇降圧系はインダクタを2個使うことで昇圧も降圧もできるコンバータです。回路自体は50年以上前からあったようですが、設計難易度が高く最近になるまでは殆ど採用されていませんでした。(従来はフライバックなどのようにトランスを使っていた)それがIC技術の進歩で専用ICが出てきたことで近年では至る所で使われています。(電気自動車や太陽光発電など、更に双方向化したものも使われます)また、デカップリングコンデンサがあるので回路が動作していない時には入出力が直流的に遮断でき、スイッチが短絡・開放で破壊した時に出力側が安全に停止される。Buck型とBoost型を自動的に切り替えられるようになっているので、原理的には単純です。インダクタを使わないので小型・安価に作れます。大きな電力には向かないです。メジャーな方式で専用のICも数多くある。入力のリプル電流が小さい。SEPICの入出力を入れ替えたもの。出力のリプル電流が小さい。原理的にはBuck用のICを流用できる。入出力電圧の符号を反転させることができる。スイッチング部分がSEPICと共通なのでSEPICと共用できるICがある。入出力のリプル電流が小さい。出力のリプル電流が大きい。動作原理が理解しにくい。入力のリプル電流が大きい。動作原理が理解しにくい。Zeta用と謳う専用ICが無い。コスト比較的安価にできる。Boost型と同じ程度+インダクタ・コンデンサ。Buck型が流用できれば割と安価にできる。SEPIC型と同程度。<フライバック>トランスを使った絶縁型で最も簡単なフライバックも紹介します。絶縁したい場合に使えます。大きな変圧比の電圧が得られる。入力電圧よりも高くも低くもできる。トランスで入出力を絶縁できるので、GNDに電位差があっても使える。欠点エアギャップのあるトランスを使うので漏れ磁束が大きく、周辺回路・機器に与える影響が大きい。大電力の伝送には向かない。(Buckコンバータ)ではまずは、最も基本的なBuckコンバータです。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。DCDC_Buck.asc動作原理Buckコンバータは入力電圧をスイッチでDuty比の時間だけ供給して、LCフィルタで平均化することで降圧させています。場合は、スイッチのON/OFFでの電流増減が一致するところで安定するのでここからDuty比と入出力電圧の関係が計算できます。インダクタに流れる電流の増減は両端に掛かる電圧に比例します。従って、両端に掛かる電圧の比とDuty:(1-Duty)の積が1になる時に安定します。この考え方はフライバック以外のここで紹介する全てに当てはまります。Buckコンバータの場合は以下になります。$$V_{OUT}=Duty\cdot{V_{IN}}$$シミュレーションLTSpiceにて動作を確認します。ないので計算上の出力電圧と若干ズレが生じます。実際の設計では負帰還を掛けてDutyを自動的に調整するのでおおむねのDuty比が算出できれば問題ありません。(Boostコンバータ)続いてはやはりメジャーなBoostコンバータです。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。DCDC_Boost.asc動作原理BoostコンバータはスイッチがONしている間にインダクタにエネルギーを蓄えて、スイッチがOFFすると入力電圧にインダクタの分を上乗せするように出力電圧が上昇します。これを数式を使って計算します。BoostコンバータのインダクタにはスイッチON/OFFでそれぞれ、Vinと(Vout-Vin)の電圧が印加されることになります。$$V_{OUT}=\frac{V_{IN}}{1-Duty}$$シミュレーションLTSpiceにて動作を確認します。こちらも理論式は理想素子として計算しているので誤差が出ます。(Invertコンバータ)基本となるDC/DCコンバータの最後は反転型です。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。反転型はスイッチONの間にインダクタへエネルギーを溜めて、OFFした時に出力を引き込むように負電圧を発生させます。こちらも数式で計算します。出力電圧の符号は省略してるのでご注意下さい。ONの時はVinが、OFFの時はVoutがインダクタに印加されます。$$V_{OUT}=\frac{Duty}{1-Duty}\cdot{V_{IN}}$$シミュレーションシミュレーションの結果は以下の通りです。昇降圧型の中では最もメジャーです。近いうちに詳細設計を投稿予定です。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。DCDC_SEPIC.asc動作原理SEPICの動作はパッと見では良く分からないですよね(笑)Boostコンバータにコンデンサとインダクタが追加された回路です。これで何が変わるかというと、Boostコンバータでは入力電圧以上の電圧しか出力できなかったものがデカップリングコンデンサに電荷が充電されることでこの入力電圧分を打ち消して降圧もできるようになります。インダクタはこのデカップリングコンデンサに充電される電圧を安定させるように働きます。ここで、デカップリングコンデンサに充電される電圧Vcを計算してみましょう。インダクタと同様に十分に大きい容量であれば電圧は一定とみなせます。電圧は入力側の電位が高い時に+となるようにします。$$V_C=V_{IN},\,-V_{OUT}$$解が2つでましたが、回路に当てはめるとVc=-VoutではスイッチのON/OFFでインダクタに掛かる電圧が同じになってしまい回路が動作していない状態になるのでVc=Vinがコンデンサに充電される電圧です。これでVcがでました。Boostコンバータからデカップリングコンデンサ分の電圧を差し引くと出力電圧になります。$$V_{OUT}=\frac{Duty}{1-Duty}\cdot{V_{IN}}$$ちなみにですが、時々フライバックコンバータの1次側と2次側をコンデンサでつないだものだから昇降圧可能だ、という説明を見ますが正確だとは思えません。(回路図的にはその通りです)その理由として、1エネルギーを溜める方法が異なる、22つのインダクタは磁気的に結合している必要が無い、という2点が挙げられます。次に2は、フライバックは磁気的に結合している2次側が無いと回路が成立しませんが、SEPICは結合していなくても動きますし、2つのインダクタで同相の電流が流れます。(フライバックはスイッチON/OFFで交互に流れる)考え方がどうであれ、最終的に得られる答えが同じならどっちでも良いと思います。理解しやすい方でとらえて頂ければ結構です。シミュレーションシミュレーション結果を以下に示します。昇圧も降圧もどちらもできますね。色々な部分の波形を見てみると勉強になると思います。2つのインダクタの両端に掛かる電圧が同じになるので、実は同じコアに巻くことができます。これにより単独のインダクタよりも小型化ができます。単独のコイルにした方が安上がりになることが多いと思います。丸印が出るのでインダクタの向きは調整して下さい。回路を見て気付いたかもいると思いますが、SEPICの入出力を入れ替えたものです。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。先ほどのSEPICの入出力を入れ替えただけだと理解して頂ければ十分です。シミュレーションで波形を見ながら理解すると早いと思います。計算式は省略しますが、入出力電圧とDuty比の関係はSEPICと同じです。$$V_{OUT}=\frac{Duty}{1-Duty}\cdot{V_{IN}}$$ちなみに、このSEPICとZetaの入出力関係がちょうど逆ということは、双方向に電力が送れるということです。それも入出力電圧の高低に関わらず、です。双方向で電力をやり取りする必要がある場合などに大変有益だと思います。(Buck-Boost型のDC/DCも同様です)シミュレーションSEPIC同様に昇圧も降圧も問題なくできます。続いてはCuk型です。こちらもSEPICと似ていて、出力側のインダクタとダイオードを入れ替えて出力される電圧を反転させた回路です。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。DCDC_Cuk.asc動作原理これもZetaと同様に出力側のインダクタの位置を入れ替えて電流の流れる方向を出力だけを変えたものだと考えて良いです。波形を見ながらそこだけなんだなーということを見てみて下さい。計算式は省略しますが、入出力電圧とDuty比の関係はSEPICと同じです。$$V_{OUT}=\frac{Duty}{1-Duty}\cdot{V_{IN}}$$反転型のDC/DCコンバータはインダクタ1つでも昇圧も降圧もできました。インダクタを2個も使うのでしょうか?それは入出力のリプル電流を大幅に低減できるからです。リプル電流が大きいと周辺回路への影響も大きく、リプル電流を吸収できるだけの大きな入出力コンデンサが必要になります。外部回路にリプルが出るとリプル電流の電流ループが大きくなることになるのでノイズも大きくなりがちです。(上手く設計すればマシかもしれませんが現実的には厳しいです)それと、SEPICとコントローラ部分が共通にできるので部品の種類を減らせます。ICメーカも共通化して売れるので安価に提供しやすくなります。シミュレーションちゃんと反転できていますね。リプル電流も見てみて下さい。最後はフライバック型です。絶縁型にはこんなものもあるよ、という程度で見て下さい。LTSpiceのファイルを以下に添付しておきます。DCDC_Flybuck.asc動作原理フライバックは1次側の巻き線に電流を流して、トランスのエアギャップにエネルギーを溜めて1次側のスイッチをOFFした瞬間に2次側から溜めたエネルギーを取り出します。エアギャップの無いトランスでも原理的には動きますが、フライバックで使うと直ぐに磁気飽和してしまってエネルギーが溜められません。磁気飽和を防ぐためにかなり広めのギャップを設けてそこにエネルギーを溜め込みます。(普通のトランスは1次側と2次側に同時に電流が流れて励磁電流以外は打ち消しあうのでギャップが無いくても磁気飽和しません)トランスを使っているので簡単に大きな変圧比が得られるのが最大の利点です。回路自体も単純で設計も比較的容易です。シミュレーションBoost型だったらうまくいかないような12V→120Vの10倍昇圧です。Duty比を変えれば出力電圧の調整もできます。まとめ以上、DC/DCコンバータについてまとめました。色々な種類があるので、その時にあった回路を選ぶことが大事です。複数の選択肢の中からその時に最適なものを見つけて下さい。困りごとがあれば設計のお手伝いもしますので、ご連絡下さい。コメント欄に書けない場合はお問合せから連絡頂ければメールにて連絡させて頂きます。サイトのシステム設計してます。用のプラグインを開発しているので、ぜひご利用ください。無農薬で育てたお米とお茶の農家直販も行っています。詳細は、ABOUTをご覧下さい。編集SEPIC型電源回路の動作を調べていたら、このWebに巡り合えました。各方式について、わかりやすく、詳しく書かれているので、理解しやすいです。LTspiceでコントロールIC無しでシミュレーションしているので、これから動かして、勉強してみます。ちなみに、「Zeta用と謳う専用ICが無い。(あれば教えて下さい)」」とありましたので、下記に情報を記します。通りすがりさんコメントありがとうございます。お返事遅くなりすみません。位相補償なども組み合わせるともっと複雑ですが、原理的には十分だと思います。ご紹介もありがとうございます!あるんですね~。コメントをキャンセルメールアドレスが公開されることはありません。※NameEmailWebsite次回のコメントで使用するためブラウザーに自分の名前、メールアドレス、サイトを保存する。日本語が含まれない投稿は無視されますのでご注意ください。抜粋LTSpiceで扱える電源の指定方法について解説します。ヘルプを見れば載っていますが、英語で分かりにくいので以下にまとめます。PWLでヘルプに記載の無い繰り返しについても説明します。電圧源と電流源で設定方法は同じなので全て電圧源で書いていきます。複数台使った相互バックアップを設定したので紹介します。今年は一気に暑くなるかと思いきや、快適な日々が続いていて過ごしやすいですね。夏はすぐそこまで来ていますので準備が必要です。エアコンの動作確認やノートパソコンの新調などです。いうアプリケーションが標準で提供されます。有効化していれば外出先からも簡単にアクセスできますし、スマホ向けアプリも使いやすくバックアップも自動的に行うことができます。ドイツのミューレというメーカのものでとても質感が良くカッコいいです。大介b4rskbe52024年01月12日Album9月に行った名古屋港水族館の写真。イルカ2頭がショーが終わってからサービスしに来てくれました。大介b4rskbe52022年11月17日Album先月、娘の2歳の誕生日に名古屋港水族館に行ってきました。9月も半ばなのにとにかく暑い日で汗だくになりながら回りました~。大介b4rskbe52022年07月10日Albumニゲラという花らしいけど、とてもキレイ。バラに負けず劣らず好きな花でした。島田市のばらの丘公園がバラの最盛期ということで行ってきました。今回は赤っぽいバラをまとめてみました。抜粋LTSpiceで扱える電源の指定方法について解説します。ヘルプを見れば載っていますが、英語で分かりにくいので以下にまとめます。PWLでヘルプに記載の無い繰り返しについても説明します。電圧源と電流源で設定方法は同じなので全て電圧源で書いていきます。複数台使った相互バックアップを設定したので紹介します。今年は一気に暑くなるかと思いきや、快適な日々が続いていて過ごしやすいですね。夏はすぐそこまで来ていますので準備が必要です。エアコンの動作確認やノートパソコンの新調などです。いうアプリケーションが標準で提供されます。有効化していれば外出先からも簡単にアクセスできますし、スマホ向けアプリも使いやすくバックアップも自動的に行うことができます。お問い合わせ画像、テキストなどの一切のコンテンツの転載及び複製は禁止されています。適切な方法での引用のみが認められます。当サイトに掲載する内容により、万が一、何らかの不利益や損害が発生したとしても一切の責任は負いかねます。development)。