12Vから5Vへのコンバータ回路–ブーストおよびバックコンバータ

12Vから5Vへのコンバータ回路–DC-DC降圧変換

5Vバッテリーをすぐに利用できるとは限りません。同じ回路のさまざまな部分を駆動するために、より高い電圧とより低い電圧が同時に必要になる場合があります。この問題を解決するために、より高い電圧（この場合は12Vバッテリー）を主電源として使用し、この電圧を下げてより低い電圧、たとえば必要に応じて5Vを取得します。これを実現するために、負荷の要件に合わせて電圧を下げる多くの電子機器やアプリケーションでBUCKCONVERTER回路が使用されています。

まず、コンバーターについて説明します。大まかに言って、コンバータには3つのタイプがあり、最初の1つは、より高いソース電圧から電圧を降圧するバックコンバータです。第二に、ブーストコンバーターは、より低いソース電圧から電圧をステップアップします。さらに、何らかの形で配置された2つの組み合わせである別のコンバーターがあります。より一般的なものは、最初に電圧を下げてから必要な値にステップアップするバックブーストコンバーターです。今後の回路を理解しやすくするために、上記の各コンバータについて詳しく説明します。

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Buck Converterとは何ですか？

バックコンバーター（ステップダウンコンバーターとも呼ばれます）は、DC-DCコンバーターです 、入力から出力への電圧を下げます。降圧コンバータは、半導体スイッチングデバイスを使用して出力を実現します。半導体スイッチングデバイスは、通常、特定の順序で配置されたダイオードとトランジスタであり、それぞれが特定の時間にスイッチングされて、最終的に必要な出力を提供します。降圧コンバーターは非常に効率的であり、場合によっては90％にもなることがあります。

基本的なバックコンバータ回路は、スイッチングトランジスタとフライホイール回路で構成されています。トランジスタがオン状態のとき、電流はインダクタを介して負荷に流れています。インダクタは、電流の流れ方向の変化に対抗し、プロセスにエネルギーを蓄積します。負荷に並列に接続されているダイオードは、逆バイアスで動作していないため、動作しなくなりました。

回路を流れる電流もコンデンサを充電します。ここで、トランジスタがオフになると、充電されたコンデンサとインダクタは、逆起電力のために負荷の両端に電圧を印加します。これで、回路に電圧源がなくなりました。インダクタに蓄えられたエネルギーは、スイッチが開いている時間の少なくとも一部には十分です。スイッチがオンとオフに保たれる時間が変化すると、スイッチは出力DC電圧を0VとV _inの間で変化させます。。

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次の図は、単純なBuckコンバーターの操作を示しています。

ブーストコンバータとは何ですか？

バックコンバーターと同様に、ブーストコンバーター（ステップアップコンバーターとも呼ばれます） スイッチングモード電源コンバータのクラスでもあります。しかし、ブーストコンバーターの動作は、バックコンバーターの動作とは正反対です。降圧コンバーターは電圧を高い電源値から必要な値に降圧しますが、ブーストコンバーターは電圧を低い電源値から昇圧します。

Boostコンバーターの基本原理は、2つの異なる状態で構成されています。最初の状態では、オン状態は、スイッチがオンのときにソース側に接続されたインダクタが充電されたときです。次に、スイッチがオフの場合、インダクタ電流に流れる経路は、フライバックダイオード、コンデンサ、および負荷のみです。これにより、オン状態で蓄積されたエネルギーがコンデンサに伝達されます。スイッチのサイクルが非常に速い場合、インダクタは充電状態の間に完全に放電しません。したがって、スイッチがオフの場合、負荷の両端の電圧は常に入力ソースの電圧よりも高くなります。

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次の図は、単純なBoostコンバーターの操作を示しています。

バックブーストコンバーター

Buck-BoostコンバーターはDC-DCコンバーターの一種です。入力電圧の大きさよりも出力電圧の大きさが大きいか小さいか。

非常に基本的な原理を持つ反転昇降圧コンバータ。オン状態の間の動作は、インダクタがエネルギーを蓄積するブーストコンバータの動作と同様です。この間、コンデンサは負荷にエネルギーを供給し、負荷の両端に接続します。オフ状態では、インダクタは出力負荷とコンデンサに接続されているため、インダクタに蓄積されたエネルギーはコンデンサと負荷に与えられます。この間にコンデンサが充電されます。

以下の簡単な図は、昇降圧コンバータの動作原理を示しています。

現在、必要なBUCK CONVERTERを実現する方法はたくさんありますが、IC MC34063を使用して、このセグメントで利用可能な最も一般的なスイッチングレギュレータを使用しています。もう1つの一般的な方法は、固定パターンに従ってスイッチングされるMOSFETの回路を使用することです。

必要なコンポーネント

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
2k抵抗
6.2k抵抗
26オームの抵抗器
62 uHインダクタ、1.5A
100uF、25Vおよび359uF、25Vコンデンサ
428pFセラミックディスクコンデンサ
定格1.5Aの12V電源ユニット
ワイヤーの接続

IC MC34063

MC34063は、DC-DCコンバータの構築に必要なすべての機能を備えたモノリシック制御回路です。これは、コンパレータ、発振器、高電流出力スイッチ、アクティブピーク電流制限などの複数の機能で構成されています。 MC34063は、DIP、SOIC、およびSONパッケージで提供されます。それぞれに8本のピンがあります。その表を以下に示します。

大電流内部スイッチコレクタ入力大電流内部スイッチエミッタ入力可変スイッチング周波数へのタイムコンデンサの取り付け抵抗分割器ネットワークを接続してフィードバックループを構築しますロジック電源電圧電流制限センス入力ダーリントンペア駆動トランジスタコレクタ入力

MC34063ピン配置
ピン番号	ピン名	説明
1	スイッチコレクター
2	スイッチエミッター
3	タイミングコンデンサ
4	アース（GND）	アース（GND）
5	コンパレータ反転入力
6	電圧（Vcc）
7	I _pk
8	ドライバーコレクター

ICMC34063の機能の一部 次のとおりです：

温度補正リファレンス
電流制限回路
アクティブな大電流ドライバー出力スイッチを備えた制御されたデューティサイクル発振器
3.0V〜40.0VDCに対応
2％の許容誤差で100KHzのスイッチング周波数で動作可能
スタンバイ電流が非常に低い
調整可能な出力電圧

また、このICは広く利用可能であり、このセグメントで利用可能な他のICよりもはるかにコスト効率が高くなっています。そのため、このICを回路に使用します。

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MC34063のピン配置 以下のとおりです。

MC34063に関連するアプリケーションは多数ありますが、そのうちのいくつかは、ヒューマンマシンインターフェイス（HMI）、ポータブルデバイス、測定とテスト、ガスおよび血液分析装置、コンピューティング、通信、ケーブルです。ソリューションなど

1N5819

1N5819は、ショットキーバリア原理を適用するショットキー整流器とも呼ばれる金属からシリコンへのパワーダイオードです。主に高周波低電圧インバータ、極性保護ダイオード、フリーホイーリングダイオードの整流器として使用されています。表面バリアダイオード、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ます。 P型半導体の代わりに白金やアルミニウムなどの金属を使用する通常のPN接合ダイオードとは少し異なります。ショットキーダイオードでは、半導体と金属が接合し、半導体側が陰極、金属側が陽極となる金属-半導体接合を形成します。金属と半導体の間に金属-半導体接合が形成されると、ショットキー障壁とも呼ばれる空乏層が生じます。

ショットキーは、蓄積電荷が少なく、電力損失が少なく、機械的特性が高い効率を示します。すべての外面が耐食性であり、電流が一方向にのみ流れる場合、端子は容易にはんだ付け可能であり、他の方向への電流の流れを止めるように製造されています。このダイオードで発生する電力低下は、PN接合ダイオードよりも低くなります。ダイオード端子間に電圧が印加されると、電流が流れ始め、端子間の電圧降下が小さくなります。電圧降下が小さいほど、効率が高くなり、スイッチング速度が速くなります。

上の概略図は、ショットキーダイオードの電気記号を示しています。

12V –5V回路図

上の回路図は、必要な操作のすべての計算値とともに回路を示しています。

12V〜5V回路の動作

回路図に示されているように回路を正しく接続します。最初にこのチップに電力を供給し、+ Vをピン6に接続し、ピン4をグランドに接続します。同時に、コンデンサCINを接続して、電源からの過剰なノイズをフィルタリングします。ピン3は、回路のスイッチング速度を決定するCTに接続されています。ピン5はコンパレータの反転端子です。非反転端子の電圧は、内部電圧レギュレータから1.25Vです。反転端子には、2つの抵抗で構成される抵抗ネットワークを配置します。これらは、オペアンプコンパレータのゲインを決定します。このようにして、12VDCから5VDCへの入力を降圧するバックコンバータを作成します。

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アプリケーション

私たちの日常生活には、低電圧入力のみを使用する多くのアプリケーションがあります。また、安全のために安定化された5Vが必要です。たとえば、バッテリー充電器、Wi-Fiモジュール、Arduinoモジュールなどです。上記の回路は、上記のすべてのアプリケーションおよびその他の多くのアプリケーションの入力ニーズを満たします。