ブログ

May 30, 2023

LTspice Lab: 降圧コンバータの電流と電圧のダイナミクス

前の記事「スイッチモード レギュレーションの理解: 降圧コンバータ」では、降圧スイッチング レギュレータの電力段の LTspice 実装について紹介および説明しました。

前の記事「スイッチモード レギュレーションの理解: 降圧コンバータ」では、図 1 に示す降圧スイッチング レギュレータの電力段の LTspice 実装を紹介し、説明しました。

この記事では、スイッチの 2 つの状態 (オンとオフ) に関連した回路の電気的活動を調査します。

スイッチ制御波形 (回路図の VSWITCH) がロジック High の場合、スイッチはオンになります。 これにより、電流が入力電源から回路の右側部分に自由に流れることができます (図 2)。

図 2 に示すように、電源電流はスイッチ S1 とインダクタ L1 を通って、コンデンサ C1 と負荷抵抗に流れます。 インダクタを流れる電流は増加しており、インダクタは「充電」しています。つまり、その磁場に蓄えられるエネルギー量が増加しています。 インダクタ電流はコンデンサと負荷に分配されます。

この図にはダイオードに流れる電流が示されていないことに注意してください。 オン状態の間、スイッチ両端の電圧降下はほぼゼロであるため、ダイオード両端の電圧は VIN にほぼ等しくなります。 したがって、ダイオードは逆バイアスされ、開回路のように動作します。

スイッチがオンになったときに、図 3 のマルチペイン プロットに含まれる情報を注意深く検討してみましょう。 各サブプロットについて、一番下から始めて一番上に向かって説明していきます。

下から見ていきますと、ダイオード両端の電圧 (12 V) V(d1) が入力電圧と等しいため、オン状態であることがわかります。

インダクタ電流 I(L1) は増加しており、インダクタは充電されています。 このプロットの縦軸の最小値は 0 mA ではなく 80 mA であることに注意してください。 スイッチはオフ状態では入力電流を完全にブロックしますが、インダクタは回路の右側部分に大量の電流が流れ続けることを保証します。

コンデンサに流れる電流 I(C1) も増加します。 I(C1) が 0 mA を超えて正になると、コンデンサは充電を開始します (そしてその電圧は増加します)。

負荷電流 I(Load) は、インダクタ電流の平均値で安定します。 インダクタ電流が 140 mA のリップルで増減する場合、負荷電流はどのようにして安定した状態を維持できるのでしょうか? インダクタ電流の経路は負荷抵抗とコンデンサ C1 の 2 つだけなので、答えには C1 が関係する必要があります。

I(C1) プロットをよく見てみると、コンデンサがインダクタ電流の偏差を継続的に補償していることがわかります。 たとえば、I(L1) が 80 mA の場合、I(C1) は –70 mA になります。ここで、負号はコンデンサが 70 mA を供給していることを意味します。 負荷にはインダクタから 80 mA とコンデンサから 70 mA が供給され、合計電流は 150 mA になります。

ただし、I(L1) が 220 mA の場合、I(C1) は +70 mA になります。ここで、正の符号は、コンデンサが 70 mA を吸収していることを意味します。 したがって、負荷は 220 mA – 70 mA = 150 mA になります。

出力電圧 V(vout) はコンデンサの両端の電圧でもあり、平均電圧付近で低振幅のリップルを示します。 出力電圧のプロットでは、電圧リップルを強調するために Y 軸を拡大しています。

コンデンサ電流が 0 mA を超えると電圧が増加し始めることに注意してください。 これは理にかなっています。このシミュレーションでは、正のコンデンサ電流はコンデンサに流れ込む電流であり、その結果、コンデンサの電圧が増加します。

出力の約 6 V は、12 V 入力の約半分です。 降圧コンバータは実際に希望どおりに電圧を降圧しました。

スイッチS1がオフのとき、図4に示すように、電流は回路の右側部分に流れ続けます。ただし、この電流は入力電源から供給されることはなく、入力電源からも供給されません。どこにもない。 代わりに、ダイオード D1 の助けを借りて循環します。

スイッチがオフになると、インダクタ L1 は負荷ではなくソースのように機能します。 インダクタは入力電源の損失にもかかわらず電流の流れを維持しますが、その電流は減少しています。