LTspiceでDC/DCコンバータの動作を理解する

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電源レギュレータ

私の知っている代表的な電源レギュレータにはDC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)とリニアレギュレータがありますが、DC/DCコンバータの動作がイマイチ理解できません。

理解できない一番の理由はコイルの動作で、これがどんな動きをしているのかが理解できていません。

そこで、LTspiceを使ってDC/DCコンバータをシミュレーションして、どんな動作をしているのかを見てみることにしました。

ただ、電源(アナログ)回路には詳しくないので、使っている回路・部品は間違っているかもしれません。。。参考にされる方はご注意を!

リニアレギュレータについては、こちらの記事も参照ください。

DC/DCコンバータの回路図

以下の画像のような回路図を作ってみました。

目標は10Vから3Vを生成するレギュレータです。

負荷抵抗は3Ωにしたので、出力電流は1Aです。

回路を大きく分けて、DC/DCコンバータとフィードバックと負荷の3ブロックとします。

DC/DCコンバータブロック

・PチャンネルMOS FET
スイッチングのためのMOS FETです。

・ショットキーダイオード
PチャンネルMOS FETがOFFしている時に還流電流を流すダイオードです。

・コイル
22uHのコイルです。

・コンデンサ
10uFのコンデンサです。

フィードバックブロック

・分圧抵抗
20kΩと10kΩの抵抗で、出力電圧を1/3に分圧します。

・三角波生成器
分圧した出力電圧との比較を行うための三角波です。
三角波を生成する回路が作れなかったので、電源部品で代用してます。
三角波の電圧は0.95Vから1.05で、周波数は500kHzとしました。

・コンパレータ
分圧した出力電圧と三角波の電圧を比較するためのコンパレータです。
分圧した出力電圧の方が高くなると、コンパレータは10Vを出力します。
三角波の電圧が高くなると、コンパレータは0Vを出力します。

負荷ブロック

1Aの出力電流を流すために3Ωの抵抗を付けました。

シミュレーション結果

それではシミュレーション結果です。

入出力電圧

まずは、入力電圧と出力電圧の結果です。入力電圧の立ち上がりと立ち下がり部分も含めています。

出力電圧の立ち上がり時に、かなり大きなオーバーシュートが出ました。

ただその後は3Vに収束しました。

特性はかなり悪いですが、動作を理解するだけなのでこれで良しとします。

電流値

次に電流値を見てみます。

電流値測定のポイントは、MOS FETのソース電流とショットキーダイオードの順方向電流、それとコイルに流れる電流です。

出力電圧のオーバーシュートが出ていたところで大電流が流れていますね。

上の図の120usから140usを拡大すると、電流波形は以下の画像になっていました。

この図を見ると、ちゃんと、
コイル電流 = MOS FETのソース電流 + ダイオードの順方向電流
になっていそうです。

フィードバックブロックの電圧値

フィードバックブロックの、コンパレータの入力電圧と出力電圧です。コンパレータの出力電圧は、PチャンネルMOS FETのゲートにつながっていて、MOS FETをON/OFFさせています。

120usから140usを拡大した図が以下の画像です。

出力電圧(青線:コンパレータの+端子)と三角波生成器の電圧(緑線:コンパレータの-端子)を比較すると、

・出力電圧の方が高くなると、コンパレータ出力(赤線)は10Vを出力し、MOS FETをOFF

・出力電圧の方が低くなると、コンパレータ出力(赤線)は0Vを出力し、MOS FETをON

にしていました。


MOS FETのゲート電圧とソース電流は、以下の画像になっていました。

120usから140usを拡大した図が以下の画像です。

ゲート電圧が10Vになるとソース電流が止まり、
ゲート電圧が0Vになるとソース電流が流れていました。

こんな感じで、回路的にはかなりいい加減ですが、シミュレーションしてみて、個人的には何となくDC/DCコンバータの基本的動作が整理できました。

アナログ回路の勉強をしたら、もう少しまともな回路を検討してみます。

シミュレーション結果の背景色の変更方法

おまけとしてシミュレーション結果の背景色の変更方法をまとめておきます。

背景色が黒だと、ブログに掲載したときに見辛いので、背景色を白に変更してみました。

下の画像のように、Tools > Color Preferencesを選択します。

すると”Color Palette Editor”というウインドウが開きます。

そしたら”Selected Item”から”Background”を選択します。

あとは、”Selected Item Color Mix”を調整して背景色を決定します。

Red、Green、Blueのすべてを”255″にすると、背景色は白になります。
Red、Green、Blueのすべてを”0″にすると、背景色は黒になります。

グラフの線の太さなども、Color Palette Editorで変更できます。

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リニアレギュレータのシミュレーションです。

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