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スイッチングICから作るDCDC昇圧コンバーター

スイッチングICから作るDCDC昇圧コンバーター

回路の仕様を決めている時、電源の電圧と電子部品の電圧が合わない場合にはレギュレーターIC等を使用して対応すると思いますが、3端子レギュレータなどで簡単に行える降圧と違い、昇圧となるとスイッチング回路の構成などで敬遠してしまう方も多いと思います。

今回は、昇圧スイッチングICを使って昇圧DCDCコンバーターをブレッドボード上で動かしてみます。

低い電圧を高い電圧に上昇させる昇圧DCDCコンバーター

秋月電子で販売されているDCDCコンバーター昇圧キット。一見難しそうに見えるDCDCコンバーターだが、自力で設計する事はそこまで難しい事ではない。必要に応じて最適な電源を構成できるのが強みだ。
(参考:最大30V出力 昇圧型スイッチング電源モジュール NJW4131使用)

昇圧DCDCコンバーターとは入力電圧よりも高い電圧を出力する電子回路です。

電源を昇圧する最大のメリットは、電子回路の電源の自由度が上がる事です。電子回路のICなどは5Vや3.3Vで動作するものが多く、電源はそれ以上電圧のものを選び、電圧を下げるのが一般的です。

これがACアダプタであれば不都合はありませんが、バッテリーで動作させようとするとアルカリ電池の1.5Vやリチウムイオンバッテリーの3.6Vなど少し不自由な電源になってしまいます。直列する事で電圧を上げる事は出来ますが、電池の本数も増やしてしまうためモバイルデバイスが大きく重くなってしまいます。

そんな電圧の低いバッテリーでもDCDCコンバーターを使用する事で、3.3Vや5Vなど必要とする高い電圧を得る事ができ、

昇圧DCDCコンバータの原理

昇圧型DCDCコンバーターの基本となる昇圧スイッチング電源の最小構成回路。真ん中のFETのON/OFFを細かく切り替えることによって昇圧を行う。

電気回路を少し学んだ方であれば、昇圧を行うには「交流電源」と「トランス」を用意しなければいけないと考える方も多いと思います。しかし、昇圧を行う方法はそれだけではありません。電子回路においては、直流のままでもコイルとスイッチによる「昇圧DCDCコンバーター」を使用する事で電圧の昇圧が可能になります。

コイルに流れている電流を遮断すると、同じ電流を維持しようとコイルは瞬間的に高い電圧を発生させる。昇圧回路はこの特性を利用して電圧を上昇させる。

コイルには急激な電流の変化が発生すると、同じ電流を維持しようとする力が働きます。このエネルギーは非常に大きく、空気の絶縁を破り火花を飛ばす電圧までも昇圧することもできます。

昇圧DCDCコンバータでは、このコイルの性質をうまく利用しています。スイッチングICではスイッチ時間を精密に操作することでコイルのON・OFFを巧みに切り替えることでコイルが生み出す起電圧を制御し、任意の電圧まで昇圧を行っています。

データシートを元に昇圧回路の構成を考える

専用ICはデータシートを参照して使い方を知ることができる。ピン配置やパッケージの寸法など必要とする情報は全てデータシートに記載されている。
(出典:40V MOSFET 内蔵 昇圧用 スイッチングレギュレータ IC NJW4131)

早速、今回は、秋月電子から調達できるスイッチングIC”NJW4131GM1-A”を使って5V電圧から24Vまで昇圧させる回路を作ってみます。

Screenshot

昇圧用スイッチングレギュレータIC 40V NJW4131GM1-A-TE2 (2個入)

NJW4131は、40VのパワーMOSFETを内蔵した昇圧用スイッチングレギュレータICです。 広動作電圧での高速発振に対応し、最小限の外付け部品でアプリケーションの小型化を実現します。

機能を実装するだけであれば、専用ICを使うことで比較的簡単に実現することができます。このスイッチングICでは、昇圧DCDCコンバータに必要な要素のほとんどを備えており、いくつかの外付け部品を実装する事で昇圧が可能となります。

専用ICは単機能の電子部品と違い中身がわからないので不明な部分が多いので、まずデータシートを見るところから始めます。

専用ICを使ったアプリケーション例を参考に回路を構成する。実際の回路設計では組み込んでみて各試験を行い、問題が発生したところから少しずつ調整していく。
(出典:40V MOSFET 内蔵 昇圧用 スイッチングレギュレータ IC NJW4131)

データシートには定格の他、専用ICであれば参考回路や電子部品の必要な定数の計算方法などが記載されています。単純に動かすだけであるならばデータシートのアプリケーション設計例を基本に回路構成を行います。

回路設計の大本となる計算方法もデータシートに記載されている。計算と実際の動作は異なることが多いため、実機での動作確認は必須だ。
(出典:40V MOSFET 内蔵 昇圧用 スイッチングレギュレータ IC NJW4131)

アプリケーション設計例には回路図の他、部品の定数を決めるための計算式などが記載されています。計算から求められる数値の電子部品は存在しない事の方が多いので、入手しやすいE12系列の値に最も近いものを使います。

ブレッドボードに実装

定数の計算が終わり、部品の手配も出来たら早速組み立てに入ります。電子回路の試作には様々な方法がありますが、今回はブレッドボードに電子部品を実装して動かしてみます。

ブレッドボードは動作周波数の高い回路には向きませんが、NJW4131の発信周波数は300kHzから1MHzまで広域に対応するため、動作に問題が発生した場合には周波数を再調整して対応する事とします。

スイッチングICにはDIP化変換基板を使う。

NJW4131GM1-AはSOP8と呼ばれる外観形状になっています。細かい話を抜きにするとこれは表面実装と呼ばれるはんだ付けに対応した電子部品なので、ブレッドボードどころかユニバーサル基板へのはんだ付けすらできません。

そんな電子部品には秋月電子から販売されているDIP変換基板を使ってブレッドボードに実装できるよう下準備を行います。最近の新しくて高性能なICは表面実装形状で開発されているので、このような変換基板をいくつか準備していると非常に便利です。

Screenshot

SOP8(1.27mm)DIP変換基板 金フラッシュ (9枚入)

1.27mmピッチの表面実装パッケージ(SOP8)のICをDIPに変換できる基板です。

表面実装コイルもリード線をつけて実装

ICと同じように、コイルやコンデンサでも表面実装形状のものが販売されています。

今回用意したコイルはパワーインダクターのNRシリーズなので、これも同じようにブレッドボードに実装できるように処理を行います。

他の電子部品から切り落としたリード線を側面の電極部にはんだ付けする事でブレッドボードに実装できるようになります。

動作確認

回路図通り部品が実装出来たら、電源に接続して動作を確認してみます。

この回路はUSBの5V電源を想定していますが配線間違いや不意の短絡などがあるとUSB機器周りを破損させてしまうので安定化電源を使用します。この時、出力電流にも制限を掛けて部品が壊れたりや破裂しないように考慮します。

青色LEDを3本直列にして接続するとちゃんと点灯しました。青色LEDのVfは約3.6Vなので3本直列の場合5Vそのままでは点灯できませんが、昇圧DCDCコンバーターを通すことによって出力電圧が上がって点灯させることができます。

なんでもできそうな昇圧DCDCコンバーターですが

昇圧したからと言って「電圧が上がるならどんな回路でも動く!」とはなりません。電圧が上昇した分、大本となる電源には多くの電流が必要となります。原則として、電力が増えるわけではありません。

例えば、USB電源の5Vを昇圧して18Vのリチウムイオンバッテリーを充電する回路を考えてみます。

18Vのリチウムイオンバッテリーを4Aで充電する仕様とするなら、5V電源には出力に15AものUSB充電器を使用しなければいけません。USB充電器で15Aも出力できる製品はまず見かけないため、現実的には不可能になります。

このように昇圧回路を使ったからと言って全ての回路を満足に動作させられるわけではありません、大本となる電源の容量や、実際の用途などを考える必要があります。

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