第３章電源用ワンチップ〜多機能充電ICから出力電圧可変のDC−DCコンバータ制御ICまで〜 3-1 出力 3.3 V 一定の 0.5 A 昇降圧型 DC− DC コンバータ制御 IC 入力が 1 〜 6 V と広くリチウム・イオンや各種 1 次電池に対応漆谷正義 Masayoshi Urushidani この IC は，乾電池やニッケル水素 2 次電池 1 本（ワ PWM モードのほうが効率が高くなります．昇圧，降ンセル）から，5 V 程度のリチウム・イオン 2 次電池までをカバーするバッテリ・システム向けの DC − DC 圧回路は独立しているので，直列（昇降圧），単独，並列（2 ch）で動作させることができます．コンバータです（図 1）．昇圧型と降圧型を直列に接続し，昇圧電圧と出力電このワンチップ IC は，次のような特徴があります．（1）最低入力電圧 1 V 圧を内蔵の A − D コンバータとコンパレータで検出し，（2）数 A の出力電流に対応動作を切り替えています．昇圧回路は PWM，降圧回路は PSM（Pulse Skipping Modulation）でスイッチン（3）昇圧および降圧単独でも使用できる（4）分割抵抗の設定により出力電圧の変更が可能グしています．一般に負荷電流が大きい場合は，（5）スイッチング周波数が 70 kHz と高い（6）昇圧/降圧の動作は連続しているので動作点切り降圧電圧検出（出力電圧）替えに伴うノイズや電圧変動がない（7）入力電圧が一定電圧以下，または一定電圧以上 17 EA でシャットダウンするので，過電流/過電圧によ 10 PSM る素子の破壊を防止できる ● PIC16F88 で作る昇降圧型 DC − DC コンバータ Vref 比較入力電圧検出 1 使用する PIC16F88 の主な仕様を表 1 に示します．機能ブロックを図 1 に，PIC16F88 の端子機能を表 EA：エラー・アンプ Vref 昇圧電圧検出 2 に示します． 18 EA Vref VSS VDD LED駆動 5 14 12 誤差電圧は，入力電圧，昇圧電圧，出力電圧（降圧電圧）の 3 系統の入力があります．昇圧制御は PWM， 9 PWM 15 OSC 降圧制御は PSM で行っています．昇圧用 PWM 制御回路では，比例制御に微分制御を加えてレスポンスを 16 13 改善しています．入力電圧が 3.3 V 以上になった場合図 1 本昇降圧型 DC − DC コンバータ IC の機能ブロック PIC16F88 に定電圧動作を停止させて，出力電圧を比例的に上昇最大定格入力電圧（V DD ）表 1 本ワンチップ IC PIC16F88 の主な仕様 DC/AC 特性電源電圧（V DD ） − 0.3 〜 7.5 V 4.0 〜 5.5 V 最大電流（V DD ，V SS ） 200 mA クロック周波数 20 MHzmax I/O ピン吸い込み電流 25 mA ブラウンアウト・リセット 3.65 〜 4.35 V I/O ピン吐き出し電流 25 mA 供給電流 2.5 mA ＠ 20 MHz 端子ポート入出力 1 AN2 2 AN3 A − D 入力 ̶ 機能端子ポート入出力出力 ̶ 入力電圧検出 10 RB4 NC 11 RB5 機能降圧用 PSM NC 3 AN4 ̶ NC 12 RB6 出力 LED（トリップ） 4 MCLR ̶ NC 13 RB7 出力 LED（過負荷） 5 VSS ̶ GND 14 VDD ̶ 電源端子 6 RB0 ̶ NC 15 CLKO ̶ XTAL 7 RB1 ̶ NC 16 CLKI ̶ XTAL 8 RB2 ̶ NC 17 AN0 入力出力電圧検出 9 CCP1 昇圧用 PWM 18 AN1 入力昇圧電圧検出 116 出力表 2 本ワンチップ IC PIC16F88 の各端子の機能電気 2 重層キャパシタZ活性炭などでできた電極と電解液（2 重層）が，セパレータで区切られた構造をもつコンデンサ．容量を大きくできることが特徴． 2008 年 1 月号特集マイコンで作るワンチップIC集入力 Vin R1 1 R2 C6 1k 0.01μ 2 3 4 5 100μH（2A） Tr1 XP151A11 BOMR （トレックス） AN3 AN0 AN4 CLKI CLKO VSS 7 昇圧用 AN1 MCLR 6 L2 AN2 8 9 RB0 VDD RB7 RB1 RB6 RB2 RB5 CCP1 RB4 PWM出力 L 1 100μH マイコン用電源 1k 18 16 15 14 C 9 15p 13 D4 C5 0.022μ D1 1N5818 Vout 3.3V R7 330Ω 270Ω 過負荷 1k R8 R 10 1k C7 トリップ Tr3 2N7000P （Zetex） PSM出力 C1 100μ 6.3V 3.5 3 出力電圧効率［％］出力電圧［V］，入力電流［A］図 2 1.2 〜 5 V の電源から 3.3 V/0.5 A を出力する応用回路 2.5 2 1.5 効率 1.0 100 入力電流 0.5 0 0 50 1 2 3 4 入力電圧［V］ 5 6 7 図 3 入出力電圧と効率の測定結果（実測）させるためにオフセットを設けています． ● 応用回路図 2 に応用回路例を示します．1.2 V のニッケル水素 2 次電池や 4.2 V のリチウム・イオン 2 次電池を電源として，3.3 V/0.5 A を出力することができます．本 IC の最も典型的な応用例です． PIC16F88 製作した基板の外観を写真 1 に，入出力電圧と効率の測定結果を図 3 に示します．写真 1 製作した基板の外観 D参考文献D （1）Switch Mode Battery Eliminator Based on a PIC16C72A, AN701，Microchip Technology Inc.，1999. 2008 年 1 月号（2） DC/DC Converter Controller Using a PICmicro Microcontroller，AN216，Microchip Technology Inc.，2000. PFM （Pulse Frequency Modulation）Z一定幅のパルス信号の繰り返し周期（つまり周波数）を変化させることで，情報を伝達する変調方法．PSM とも呼ばれる．第３章電源用ワンチップ 1k 0.022μ 11 10 R6 R9 D5 出力 C4 D3 470μ 1N5822 1k 1k C 8 15p X1 20MHz 12 R5 R3 17 I C2 LT1073-5 （リニアテクノロジー） 3 1 I LI M SW1 4 8 SENSE SW2 7 SET 6 AO 2 Vin GND 5 C2 100μ 降圧用 Tr2 2SJ377 L3 （東芝） 100μH（2A） R4 （マイクロチップ・テクノロジー） 100μ 5.6k （1.2〜5V） C3 I C1 PIC16F88 Chapter number D2 STPS1L30A 電源入力端子（バッテリ） 117