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集積回路設計 第9回目 講義資料

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集積回路設計 第9回目 講義資料
杉本 泰博
1
スイッチング電源回路が必要なわけ
∼降圧型DC-DCコンバータ
効率が大事!
2
DC-DCコンバータの電力効率
DC-DCコンバータに求められることとは
電力効率とは
η=
電圧を変換すること
入力された電力を100%出力すること
出力電力 Vout I out
=
×100 [%]
入力電力 Vin I in
自分自身で電力を消費してしまっては元も子もない。
3
降圧型DC-DCコンバータの動作原理
インダクタはエネルギーを貯める素子である。
S1がON
∆I L =
S2がON
V
V − VOUT
∆t = IN
∆t
L
L
電流増加→エネルギーを貯める
∆I 'L =
0 − VOUT
V
V
∆t =
∆t = − OUT ∆t
L
L
L
電流減少→エネルギーを放出
4
出力電圧の決定
定常状態
∴
∆I L = ∆I L'
VIN − VOUT 2
V
1
× T = OUT × T
L
L
3
3
2
∴VOUT = VIN
3
S1のON期間をディジタル的に変えれば出
力電圧を任意に設定できる。
5
降圧型DC-DCコンバータICの回路およ
びブロック構成
S1
S2
二つの負帰還ループにより出力を安定化させる。
6
誤差増幅器(エラーアンプ)
誤差増幅器は出力電圧VoutをRf1,Rf2で分割した電圧と参照電圧Vrefの電圧の違
いを増幅する。
誤差増幅器
誤差増幅器回路
誤差増幅器の入力端子間の電圧差がほぼゼロになるようにループでフィードバッ
クがかかる(Vi→0)。VOUTは以下のようになる。
VOUT ×
Rf 2
Rf 1 + Rf 2
= Vref
⎛ Rf1 ⎞
⎟
∴VOUT = Vref × ⎜1 +
⎜ R ⎟
f2 ⎠
⎝
7
インダクタ電流検出回路
Lに流れる電流を検出 = MPに流れる電流と同じである
MPがオンであれば低抵抗RONに見える。
RON =
1
β (VGS − Vth )
(線形領域)
オペアンプの
入力電圧差は
零に近い。
NLX点とⒶ点の
電圧は等しい。
VNL = VCC − I L × RON より、IL×RONの電圧をモニタして
IL
RON
= I CP ∝ I L
RM C 1
とする。
8
PWM比較器(コンパレータ)
二つの入力電圧Vi,VCを比較し、ViがVCを越えた瞬間に出力がハイとなる。
折り返しカスコード回路(高速特性)
ソース接地増幅回路(利得大)
9
発振回路
弛緩発振器という。
①MN2およびMP2はVOのハイ、ローによりオン・オフするスイッチと等価なト
ランジスタである。
②図中Hはヒステリシス特性を持つ比較器である。
③MN1,MP1はどちらも定電流。
弛緩発振回路
10
発振の仕組み
MP2がON(MN2はOFF)
MP1からキャパシタCへ定電流iCが流れ、Cの
両端の電圧は時間と共に直線的に増加。
Viは直線的に増加。やがてVIHに達する
と出力VOがハイに変わる。
MN2がON(MP2はOFF)
キャパシタCからMN1へ定電流iCが流れ、Cの
両端の電圧は時間と共に直線的に減少。
Viは直線的に減少。やがてVILに達する
と出力VOがローに変わる。
発振周波数fOSCは、1周期間にキャパシタCの端子電圧Viが2度VIHとVILの間を
繰り返すので、
IC T
× = (VIH − VIL )
C 2
より
f OSC =
1
1
=
T 2C (VIH − VIL )
11
参照電圧源回路
参照電圧源の電圧は0.5[v]。DC-DCコンバータの出力電圧VOUTはこの参照電圧よ
り低くできない。またVOUTは入力電圧や周囲の温度、負荷の電流が変化しても、変
わってはならない。
12
正の温度係数を持つ電流
正の温度係数 → 温度が上がると電圧は上がる。
アンプの働きにより、VA=VB このとき抵抗RPの両端の電圧
は
⎛ I
⎛I ⎞
VR p = VD1 − VD 2 = VT ln⎜⎜ P ⎟⎟ − VT ln⎜⎜ P
⎝ NI S
⎝ IS ⎠
ただし
kT
VT =
q
抵抗RPに流れる電流IPは
⎞
⎟⎟ = VT ln N
⎠
k:ボルツマン定数、T:絶対温度
q:電子の単位電荷、Is:ダイオードの飽和電流
N: D1とD2の大きさの比率を1:Nとする
Ip =
VT
ln N
RP
VTは正の温度係数を持つ電圧である(0.086mV/℃)。よって電流IPはVINの変化に
よらない正の温度係数を持つ電流である。
13
負の温度係数を持つ電流(演習9.1)
負の温度係数 → 温度が上がると電圧は下がる。
ダイオードの両端電圧VD1は負の温度係数をもつ電圧である(−2mV/℃)。
アンプの働きにより、VD1=VRN このとき電流INは
IN =
VD1
RN
これはVINの変化によらない負の温度係数をもつ電流である。
ではどうすれば、温度係数を持たない電圧を作り出す事が出来るであろうか?
14
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