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Nov 26, 2023

スイッチング電圧レギュレータとは何ですか?

大量の電流を駆動できる安定した電圧を生成することは、電子設計の基本的なタスクの 1 つです。 低電圧電子回路の基本モデルは何かを実現する

大量の電流を駆動できる安定した電圧を生成することは、電子設計の基本的なタスクの 1 つです。 低電圧電子回路の基本モデルは次のようになります。

これを実現するにはさまざまな方法があります。 私が最初に回路設計を始めたときは、可能な限り、由緒ある 7805 などのリニア電圧レギュレータを使用しました。 しかし、今日では、多くの場合スイッチングレギュレータが優れた方法であることは否定できず、私の経験からも、通常はスイッチングレギュレータが優れた方法です。

この記事では、その命名法について説明し、次にスイッチング規制の基本原理を探っていきます。

「スイッチング (電圧) レギュレータ」は、おそらくこのクラスの回路を表す最も一般的でわかりやすい用語です。 ただし、次の用語のさまざまな組み合わせも表示されます。

私は実際には「スイッチモード レギュレータ」または「スイッチモード電源」のほうを好みます。「スイッチモード」のほうがこれらの回路の性質をよりうまく伝えているからです。スイッチングは、電圧を調整または変換するタスクを達成するモードです。

これらすべての用語にはあいまいさがあり、問題が生じることはほとんどありませんが、それでも注目に値します。「スイッチング レギュレータ」または「スイッチ モード電源」は、理論的には、スイッチと組み合わせて使用​​して電源レールを生成する回路を指す可能性があります。インダクタまたはコンデンサ。

ただし、実際には、上記の用語はインダクタベースのスイッチャ用に予約されています。 図 1 は、インダクタベースのスイッチング モード レギュレータの例です。 スイッチモード電源の大部分はインダクタベースです。 これらがこの記事の主な焦点になります。

図 2 の回路例のようなコンデンサベースのスイッチャは、通常、「チャージ ポンプ」電源または「スイッチト キャパシタ」電源と呼ばれます。 図 1 と図 2 はどちらも、入力電圧よりも高い出力電圧を生成する回路の例です。

ここで、図 3 に示すように、リニア レギュレータについて考えてみましょう。リニア レギュレータは電圧を下げることしかできないため、入力電圧が出力電圧よりも高いことがわかっています。

リニアレギュレータの動作には少量の電流が必要です。 これは地電流と呼ばれます。 グランド電流は無視できるほど小さいことが多いため、これを無視し、レギュレータに流れ込む電流がレギュレータから出て給電負荷回路に流れ込む電流と等しいと仮定します。

次に、力について考えてみましょう。 電力は電圧と電流の積として計算されます。出力の電流は等しいですが、入力に比べて電圧が低いため、電力はどこかで失われるはずです。 リニア レギュレータは、電圧降下を伴う単純な抵抗素子であると想像することもできます。

$$V_{DROP} = V_{IN} - V_{OUT}$$

この場合、リニア レギュレータ PREG の消費電力は次のようになります。

$$P_{REG} = V_{DROP} \cdot I_{LOAD}$$

実際、リニア レギュレータのコンポーネントの 1 つはスイッチです。電気機械スイッチではなく、純粋に電気スイッチとして機能できるトランジスタです。 ただし、スイッチはオン/オフしないため、リニア レギュレータをスイッチング レギュレータとは呼びません。 代わりに、スイッチは大きな抵抗を持つ中間状態で動作し、この抵抗によって電力が消費され、電圧が低下します。

線形調整はシンプルで非常に効果的ですが、非効率的です。 スイッチは中間の抵抗状態で動作し、潜在的に大量の電力を熱として放散します。 レギュレータをレギュレータおよび電気ヒーターとして機能させたくない場合、この電力は無駄になります。

これがスイッチモードレギュレータの概念につながります。 スイッチを完全にオンまたは完全にオフに保つことができれば、言い換えれば、消費電力の高い中間領域を回避できれば、より効率的なレギュレータを作成することができます。 しかし、リニアレギュレータに関する私たちの議論は、電圧を下げるために無駄な電力が必要であることを示唆しています。 何をするか？