効率的な12V→5V降圧コンバータ回路設計：MC34063ベースのバックコンバータ
12V→5Vコンバータ回路─DC-DCステップダウン変換
5V電池が常に手元にあるとは限らず、同一回路内で異なる電圧レベルが必要になる場面は多々あります。この問題を解決するため、メイン電源として12V電池を用い、必要な箇所で5Vへ降圧します。この目的で多くの電子機器・アプリケーションでバックコンバータ（降圧チョッパ）回路が採用されています。
コンバータの種類
大別すると3タイプ：
- バックコンバータ（降圧コンバータ）：高電圧入力を低電圧出力に変換
- ブーストコンバータ（昇圧コンバータ）：低電圧入力を高電圧出力に変換
- バックブーストコンバータ：上記2つを組み合わせ、まず降圧後昇圧して所望電圧得る
各コンバータを詳細に解説し、以降の回路理解を深めます。
バックコンバータとは？
バックコンバータ（ステップダウンコンバータ）はDC-DCコンバータの一種で、入力電圧を出力側で降圧します。半導体スイッチングデバイス（一般にダイオードとトランジスタを特定配置し、特定タイミングでスイッチング）を用いて所望出力を得ます。効率は高く、しばしば90%達成可能。
基本回路はスイッチングトランジスタとフリーホイール回路で構成。トランジスタオン時、電流はインダクタ経由で負荷へ流れる。インダクタは電流変化に抗しつつエネルギー蓄積。負荷並列のダイオードは逆バイアスで非動作。回路電流でコンデンサも充電。トランジスタオフ時、電圧源がない状態で充電済みコンデンサとインダクタの逆起電力が負荷に電圧印加。インダクタ蓄積エネルギーでスイッチオフ期間の少なくとも一部を賄える。オン/オフ時間比を変えれば出力DC電圧を0V〜Vin間で可変制御可能。
ブーストコンバータとは？
バックコンバータ同様、スイッチングモード電源コンバータの一種だが動作は正反対。バックが高電圧→低電圧なのに対し、ブーストは低電圧→高電圧へ昇圧。
基本原理は2状態。第1状態（オン）：スイッチオンで電源側接続インダクタ充電。第2状態（オフ）：スイッチオフでインダクタ電流の唯一の経路がフライバックダイオード→コンデンサ→負荷。オン状態で蓄積したエネルギーがコンデンサへ転送。スイッチング高速ならインダクタが充電間隔で完全放電せず、スイッチオフ時に負荷電圧が常に入力電圧超となる。
バックブーストコンバータ
入力電圧大きさより大きくも小さくもできるDC-DCコンバータ。反転型バックブーストの基本原理：オン状態ではブーストコンバータ同様にインダクタ蓄電。負荷並列コンデンサがこの間エネルギー供給。オフ状態ではインダクタが出力負荷とコンデンサに接続され、蓄積エネルギーがコンデンサと負荷へ供給。この期間にコンデンサ充電。
バックコンバータ実現法は多数あるが、本稿では本分野で最もポピュラーなスイッチングレギュレータIC MC34063 を採用。別法としてMOSFETを固定パターンでスイッチングする回路もある。
必要部品
- MC34063 スイッチングレギュレータIC
- 1N5819 ショットキーダイオード
- 2kΩ 抵抗
- 6.2kΩ 抵抗
- 26Ω 抵抗
- 62μH インダクタ、1.5A
- 100μF 25V と 359μF 25V コンデンサ
- 428pF セラミックディスクコンデンサ
- 12V電源ユニット 1.5A定格
- ジャンパワイヤ
IC MC34063
DC-DCコンバータ構築に必要な全機能を内蔵したモノリシック制御回路。コンパレータ、発振器、大電流出力スイッチ、アクティブピーク電流制限を内蔵。DIP、SOIC、SONパッケージで8ピン。ピン配置：
| ピン番号 | ピン名 | 説明 |
|---|---|---|
| 1 | スイッチコレクタ | 内部大電流スイッチコレクタ入力 |
| 2 | スイッチエミッタ | 内部大電流スイッチエミッタ入力 |
| 3 | タイミングコンデンサ | 可変スイッチング周波数用タイムコンデンサ接続 |
| 4 | GND | グランド |
| 5 | コンパレータ反転入力 | 帰還ループ構築用抵抗分圧ネットワーク接続 |
| 6 | Vcc | ロジック電源電圧 |
| 7 | Ipk | 電流制限検知入力 |
| 8 | ドライバコレクタ | ダーリントン駆動トランジスタコレクタ入力 |
MC34063の主な特長：
- 温度補償済みリファレンス
- 電流制限回路内蔵
- アクティブハイ大電流ドライバ出力スイッチ付き制御デューティサイクル発振器
- 3.0V〜40.0V DC入力対応
- 100kHzスイッチング周波数動作可能（公差2%）
- 待機電流極小
- 出力電圧調整可能
広く入手可能で同セグメント他ICよりコスト効率良好なため、本回路で採用。
用途：HMI、携帯デバイス、計測・テスト、ガス/血液分析、コンピューティング、通信、ケーブルソリューション等多数。
1N5819 ショットキーダイオード
メタル-シリコンパワーダイオード、ショットキー整流器とも呼ばれショットキーバリア原理を適用。高周波低電圧インバータの整流、極性保護ダイオード、フリーホイールダイオードとして主使用。表面障壁ダイオード、ホットエレクトロンダイオード、ホットキャリアダイオードとも呼ばれる。通常PN接合ダイオードと異なり、P型半導体の代わりに白金/アルミニウム等の金属を使用。半導体側がカソード、金属側がアノードとなるメタル-半導体接合を形成し、ショットキーバリア（空乏層）が生じる。
蓄積電荷が少なく、低損失・高効率の機械的特性を実現。全外表面耐食性、端子半田付け容易、単方向導通。端子間電圧印加で電流流れ、小さな電圧降下生成。低電圧降下＝高効率・高速スイッチング。
12V→5V回路図
全計算値を含む所望動作用回路図。
12V→5V回路の動作
回路図通りに配線。まずチップ電源：ピン6に+V、ピン4をグランド。同時にピン3にコンデンサCin接続で電源ノイズ除去。ピン3をCt（タイミングコンデンサ）接続でスイッチング速度決定。ピン5はコンパレータ反転入力端子。非反転端子電圧は内部レギュレータから1.25V。反転側に2抵抗ネットワーク配置でオペアンプコンパレータのゲイン決定。これで入力12V DCを出力5V DCへ降圧するバックコンバータ完成。
用途
低電圧入力のみ対応の日常機器は多く、安全性のため安定化5Vが必要。例：バッテリチャージャ、Wi-Fiモジュール、Arduinoモジュール等。本回路はこれら全ての入力要件を満たします。
産業技術