スイッチング電圧レギュレータ

パルス電圧レギュレータ（コンバータ）では、能動素子（通常は電界効果トランジスタ）がパルスモードで動作します。制御スイッチが交互に開閉し、エネルギー蓄積素子にパルスで電源電圧を供給します。その結果、電流パルスはチョーク (または、特定のスイッチング レギュレーターのトポロジーによっては変圧器) を介して供給されます。チョークは、多くの場合、負荷回路内でエネルギーを蓄積、変換、放出する要素として機能します。

パルスには特定の時間パラメータがあります。パルスは特定の周波数で続き、特定の持続時間があります。これらのパラメータは、出力コンデンサを充電し、それに接続されている負荷に実際に電力を供給するのは平均インダクタ電流であるため、スタビライザによって現在供給されている負荷のサイズに依存します。

パルススタビライザの構造では、スイッチ、エネルギー蓄積デバイス、制御回路という 3 つの主要な機能ユニットを区別できます。最初の 2 つのノードは電源セクションを形成し、3 番目のノードとともに完全な電圧変換回路を形成します。場合によっては、スイッチを制御回路と同じハウジング内に設けることができます。

したがって、パルスコンバータの仕事は開閉によって行われます。 電子キー… スイッチが閉じると、エネルギー貯蔵装置 (チョーク) が電源に接続されてエネルギーが貯蔵され、スイッチが開くと、貯蔵装置は電源から切り離され、すぐに負荷回路に接続され、その後エネルギーが貯蔵されます。はフィルタコンデンサと負荷に伝達されます。

その結果、電圧の特定の平均値が負荷に作用します。これは、制御パルスの繰り返しの持続時間と周波数に依存します。電流は負荷に依存し、その値はこのコンバータの許容制限を超えてはなりません。

PWMとPWM

パルスコンバータの出力電圧の安定化の原理は、出力電圧と基準電圧の継続的な比較に基づいており、これらの電圧の不一致に応じて、制御回路はオープンとオープンの継続時間の比率を自動的に復元します。スイッチの閉状態（制御パルスの幅を変化させます） パルス幅変調 — PWM）または、これらのパルスの繰り返し率を変更して、パルスの継続時間を一定に保ちます（パルス周波数変調 - PFM によって）。出力電圧は通常、抵抗分圧器を使用して測定されます。

ある時点で負荷がかかった出力電圧が低下し、公称電圧よりも低くなったとします。この場合、PWM コントローラーは自動的にパルス幅を増やします。つまり、チョークでのエネルギー蓄積プロセスが長くなり、その結果、より多くのエネルギーが負荷に伝達されます。その結果、出力電圧は公称値に戻ります。

PFM の原理に従って安定化が機能する場合、負荷下で出力電圧が低下すると、パルス繰り返し率が増加します。その結果、より多くのエネルギー部分が負荷に伝達され、電圧は必要な定格と等しくなります。ここで、スイッチの閉状態と開状態の継続時間の合計に対するスイッチの閉状態の継続時間の比が、いわゆるデューティ サイクル DC であると言うのが適切でしょう。

一般に、パルス コンバータはガルバニック絶縁ありとなしで使用できますが、この記事では、ガルバニック絶縁なしの基本回路である昇圧コンバータ、降圧コンバータ、および反転コンバータについて説明します。式では、Vin は入力電圧、Vout は出力電圧、DC はデューティ サイクルです。

非ガルバニック絶縁降圧コンバータ - 降圧コンバータまたは降圧コンバータ

キー T が閉じます。スイッチが閉じるとダイオード D がロックされ、電流が流れます。 スロットル L が増加し、負荷全体で R が増加し始めます。鍵が開きます。スイッチが開くと、チョークと負荷を流れる電流は減少しますが、流れ続けます。これは、電流がすぐに消えることがなく、回路がスイッチを介してではなく、開いたダイオードを介して閉じられるだけであるためです。

スイッチが再び閉じます。スイッチが開いている間、チョークを流れる電流がゼロに低下する時間がなかった場合、電流は再び増加します。 脈流 （コンデンサがなかった場合）。コンデンサはリップルを平滑化し、負荷電流がほぼ一定になるようにします。

このタイプのコンバータの出力電圧は常に入力電圧より低く、ここでは実際には入力電圧がチョークと負荷に分割されます。その理論値 (スイッチとダイオードの損失を無視した理想的なコンバータの場合) は、次の式を使用して求めることができます。

ガルバニック絶縁なしの昇圧コンバータ - 昇圧コンバータ

スイッチ T が閉じています。スイッチが閉じると、ダイオード D が閉じ、インダクタ L を流れる電流が増加し始めます。鍵が開きます。電流はインダクタを通って流れ続けますが、今度は開いたダイオードを通って、インダクタの両端の電圧がソース電圧に追加されます。負荷 R にかかる一定の電圧はコンデンサ C によって維持されます。

スイッチが閉じると、チョーク電流が再び増加します。このタイプのコンバータの出力電圧は、インダクタの両端の電圧が電源電圧に加算されるため、常に入力電圧よりも高くなります。出力電圧の理論値 (理想的なコンバータの場合) は、次の式を使用して求めることができます。

ガルバニック絶縁なしの反転コンバータ昇降圧コンバータ

スイッチ T が閉じています。チョーク L はエネルギーを蓄え、ダイオード D は閉じます。スイッチが開いています。チョークがコンデンサ C と負荷 R に通電します。ここでの出力電圧は負の極性です。その値は (理想的な場合) 次の式で求められます。

リニアスタビライザーとは異なり、スイッチングスタビライザーはアクティブ素子の加熱が少ないため効率が高く、そのため必要なラジエーター面積が小さくなります。スイッチング スタビライザの一般的な欠点は、出力および入力回路にインパルス ノイズが存在することと、トランジェントが長くなる点です。