電源では、電圧レギュレータが重要な役割を果たします。だから議論する前に電圧レギュレーター、システムを設計する際の電源の役割は何かを知る必要があります。たとえば、スマートフォン、腕時計、コンピューター、ラップトップなどの作業システムでは、電源はシステムの内部コンポーネントに一貫性のある信頼性の高い継続的な供給を提供するため、フクロウシステムを機能させるために不可欠な部分です。電子機器では、電源は回路を適切に動作させるために安定した安定化電源を提供します。電源は、主電源コンセントからのAC電源とバッテリーからのDC電源の2種類があります。したがって、この記事では、さまざまなタイプの電圧レギュレータとその動作の概要について説明します。

電圧レギュレータとは何ですか？

電圧レギュレータは、電圧レベルを調整するために使用されます。安定した信頼性の高い電圧が必要な場合は、電圧レギュレータが推奨されるデバイスです。入力電圧または負荷条件の変化に対して一定に保たれる固定出力電圧を生成します。コンポーネントを損傷から保護するためのバッファとして機能します。 A 電圧レギュレーターはシンプルなフィードフォワード設計のデバイスであり、負帰還制御ループを使用します。

電圧レギュレーター

電圧レギュレータには主に2つのタイプがあります。リニア電圧レギュレータとスイッチング電圧レギュレータです。これらは幅広いアプリケーションで使用されます。リニア電圧レギュレータは、最も簡単なタイプの電圧レギュレータです。コンパクトで低電力、低電圧システムで使用される2つのタイプがあります。さまざまなタイプの電圧レギュレータについて説明します。

ザ・ 電圧レギュレータで使用される主要コンポーネント です

フィードバック回路
安定した基準電圧
パスエレメント制御回路

上記の3つを使用することにより、電圧調整プロセスは非常に簡単ですコンポーネント。フィードバック回路のような電圧レギュレータの最初のコンポーネントは、DC電圧出力内の変化を検出するために使用されます。基準電圧とフィードバックに基づいて、制御信号を生成し、パスエレメントを駆動して変更を支払います。

ここで、パス要素はソリッドステートの一種です半導体デバイス BJTトランジスタと同様に、PN接合ダイオード以外はMOSFETです。これで、DC出力電圧をほぼ安定に保つことができます。

電圧レギュレータの動作

電圧レギュレータ回路は、入力電圧が変化した場合でも、永続的な出力電圧を生成および維持するために使用されます。電圧レギュレーターは電源から電圧を取得し、残りの部分に適した範囲に維持することができます電気部品。最も一般的には、これらのレギュレーターはDC / DC電力、AC / AC、それ以外の場合はAC / DCの変換に使用されます。

電圧レギュレータの種類とその動作

これらの規制当局は、集積回路またはディスクリートコンポーネント回路。電圧レギュレータは、リニア電圧レギュレータとスイッチング電圧レギュレータの2種類に分類されます。これらのレギュレータは主にシステムの電圧を調整するために使用されますが、リニアレギュレータは低効率で動作し、スイッチングレギュレータは高効率で動作します。高効率のスイッチングレギュレータでは、ほとんどのi / p電力を消費せずにo / pに送信できます。

電圧レギュレータの種類

基本的に、電圧レギュレータには、リニア電圧レギュレータとスイッチング電圧レギュレータの2種類があります。

リニア電圧レギュレータには、シリーズとシャントの2種類があります。
スイッチング電圧レギュレータには、ステップアップ、ステップダウン、およびインバータ電圧レギュレータの3つのタイプがあります。

リニア電圧レギュレータ

リニアレギュレータは分圧器として機能します。オーミック領域では、FETを使用します。電圧レギュレータの抵抗は負荷によって変化するため、出力電圧は一定になります。線形電圧レギュレータは、電源を調整するために使用する元のタイプのレギュレータです。この種のレギュレータでは、次のようなアクティブパス要素の可変導電率 MOSFET または、BJTが出力電圧を変更する責任があります。

負荷が同盟すると、入力が変化すると、負荷が変化すると、トランジスタ全体の電流に差が生じ、出力が一定に保たれます。トランジスタの電流を変更するには、アクティブなオーミック領域で動作させる必要があります。

この手順全体を通して、この種のレギュレータは、正味の電圧がトランジスタ内で降下して熱のように放散するため、多くの電力を放散します。一般的に、これらの規制当局はさまざまなカテゴリーに分類されます。

ポジティブアジャスタブル
負の調整可能
固定出力
追跡
フローティング

利点

ザ・ リニア電圧レギュレータの利点 以下のものが含まれます。

低出力リップル電圧を提供します
ロードまたはライン変更への高速応答時間
低電磁干渉と低ノイズ

短所

ザ・ リニア電圧レギュレータのデメリット 以下のものが含まれます。

効率が非常に低い
広いスペースが必要–ヒートシンクが必要
入力を超える電圧を上げることはできません

シリーズ電圧レギュレータ

直列電圧レギュレータは、負荷と直列に配置された可変要素を使用します。その直列要素の抵抗を変更することにより、その両端で降下する電圧を変更できます。また、負荷両端の電圧は一定に保たれます。

引き出される電流の量は、負荷によって効果的に使用されます。これが、直列電圧レギュレータ。負荷に電流が必要ない場合でも、シリーズレギュレータには全電流が流れません。したがって、シリーズレギュレータはシャント電圧レギュレータよりもかなり効率的です。

シャント電圧レギュレータ

シャント電圧レギュレーターは動作します可変抵抗を介して電源電圧からグランドへのパスを提供することによって。シャントレギュレータを流れる電流は負荷からそらされ、無駄に地面に流れます。そのため、この形式は通常、シリーズレギュレータよりも効率が低くなります。ただし、これはより単純で、電圧リファレンスダイオードのみで構成される場合があり、無駄な電流が小さすぎて問題にならない非常に低電力の回路で使用されます。この形式は、電圧リファレンス回路では非常に一般的です。シャントレギュレータは通常、電流をシンク（吸収）することしかできません。

シャントレギュレータのアプリケーション

“ソーラー充電コントローラーとは ”

シャントレギュレータは次の場所で使用されます。

低出力電圧スイッチング電源
電流ソースおよびシンク回路
エラーアンプ
調整可能な電圧または電流の線形およびスイッチング電源装置
電圧監視
正確なリファレンスを必要とするアナログおよびデジタル回路
高精度電流リミッター

スイッチング電圧レギュレータ

スイッチングレギュレータは、直列デバイスのオンとオフをすばやく切り替えます。スイッチのデューティサイクルは、負荷に転送される電荷の量を設定します。これは、リニアレギュレータと同様のフィードバックメカニズムによって制御されます。直列要素が完全に導通しているか、ほとんど電力を消費しないためにスイッチがオフになっているため、スイッチングレギュレータは効率的です。スイッチングレギュレータは、リニアレギュレータとは異なり、入力電圧よりも高い、または反対の極性の出力電圧を生成できます。

スイッチング電圧レギュレータは、出力を変更するためにすばやくオンとオフを切り替えます。制御発振器が必要で、ストレージコンポーネントも充電します。

パルスレート変調が周波数、一定のデューティサイクル、およびPRMによって課せられるノイズスペクトルが変化するスイッチングレギュレータでは、そのノイズを除去することはより困難です。

とのスイッチングレギュレータパルス幅変調、一定周波数、可変デューティサイクルは、効率的でノイズを簡単に除去できます。
スイッチングレギュレータでは、インダクタを流れる連続モード電流がゼロに低下することはありません。それは最高の出力電力を可能にします。パフォーマンスが向上します。

スイッチングレギュレータでは、インダクタを流れる不連続モード電流はゼロに低下します。出力電流が小さい場合にパフォーマンスが向上します。

トポロジの切り替え

トポロジには、誘電体絶縁と非絶縁の2種類があります。

孤立

それは放射線と激しい環境に基づいています。ここでも、分離コンバーターは次の2つのタイプに分類されます。

フライバックコンバーター
フォワードコンバーター

上記の絶縁型コンバーターについては、スイッチモード電源のトピックで説明しています。

非分離

これは、Vout / Vinの小さな変更に基づいています。例としては、ステップアップ電圧レギュレーター（ブースト）–入力電圧を上げるステップダウン（バック）–入力電圧を下げるステップアップ/ステップダウン（ブースト/バック）電圧レギュレーター–コントローラーに応じて入力電圧を下げるか上げるまたは反転するチャージポンプ–インダクタを使用せずに複数の入力を提供します。

繰り返しますが、非絶縁コンバーターはさまざまなタイプに分類されますが、重要なものは

降圧コンバータまたは降圧電圧レギュレータ
ブーストコンバータまたはステップアップ電圧レギュレータ
バックまたはブーストコンバータ

トポロジの切り替えの利点

スイッチング電源の主な利点は、効率、サイズ、および重量です。また、より複雑な設計であり、より高い電力効率を処理できます。スイッチング電圧レギュレータは、入力電圧よりも大きいか小さいか、または入力電圧を反転する出力を提供できます。

短所 スイッチングトポロジの

“電気技師シニアデザインプロジェクトのアイデア ”

より高い出力リップル電圧
一時的な回復時間が遅い
EMIは非常にノイズの多い出力を生成します
非常に高価

ブーストスイッチングレギュレータとも呼ばれるステップアップスイッチングコンバータは、入力電圧を上げることによってより高い電圧出力を提供します。消費電力が回路の出力電力仕様の範囲内である限り、出力電圧は安定化されます。 LEDのストリングを駆動するために、ステップアップスイッチング電圧レギュレータが使用されます。

ステップアップ電圧レギュレータ

無損失回路を仮定しますPin = Pout（入力電力と出力電力は同じです）

次にV_に私_に= V_アウト私_アウト、

私_アウト/ 私_に=（1-D）

このことから、この回路では

力は同じままです
電圧が上がる
電流が減少します
DCトランスに相当

ステップダウン（バック）電圧レギュレータ

入力電圧を下げます。

降圧電圧レギュレータ

入力電力が出力電力と等しい場合、

P_に= P_アウトV_に私_に= V_アウト私_アウト、

私_アウト/ 私_に= V_に/ V_アウト= 1 / D

降圧コンバータは、巻数比が0〜1の範囲にあるDCトランスと同等です。

ステップアップ/ステップダウン（ブースト/バック）

電圧インバータとも呼ばれます。この構成を使用することにより、要件に応じて電圧を上げたり下げたり、反転させたりすることができます。

出力電圧は入力と反対の極性です。
これは、オフ時間中にVL順方向バイアス逆バイアスダイオードを生成し、電流を生成し、オフ時間中に電圧生成のためにコンデンサを充電することによって実現されます。
このタイプのスイッチングレギュレータを使用することにより、90％の効率を達成できます。

ステップアップ/ステップダウン電圧レギュレータ

オルタネーター電圧レギュレーター

オルタネーターは、エンジンが作動しているときに車両の電気需要を満たすために必要な電流を生成します。また、車両の始動に使用されるエネルギーを補充します。オルタネーターには、ほとんどの車両でかつて使用されていたDC発電機よりも低速でより多くの電流を生成する機能があります。オルタネーターには2つの部分があります

オルタネーター電圧レギュレーター

固定子 –これは静止したコンポーネントであり、移動しません。これには、鉄心の上にコイル状に巻かれた一連の導電体が含まれています。
ローター/アーマチュア –これは、次の3つの方法のいずれかによって回転磁界を生成する可動コンポーネントです。（i）誘導（ii）永久磁石（iii）エキサイターの使用。

電子電圧レギュレータ

単純な電圧レギュレータは、ダイオード（または一連のダイオード）と直列の抵抗から作成できます。ダイオードのV-I曲線の対数形状により、ダイオードの両端の電圧は、引き出される電流の変化または入力の変化によってわずかに変化します。正確な電圧制御と効率が重要でない場合、この設計はうまく機能する可能性があります。

電子電圧レギュレータ

トランジスタ電圧レギュレータ

電子電圧レギュレータは、によって提供される不安定な電圧リファレンスソースを持っていますツェナーダイオード、これは逆方向降伏電圧動作ダイオードとしても知られています。それは一定のDC出力電圧を維持します。 ACリップル電圧は遮断されますが、フィルタは遮断できません。電圧レギュレータには、短絡保護、電流制限回路、過電圧保護、およびサーマルシャットダウン用の追加回路もあります。

電圧レギュレータの基本パラメータ

電圧レギュレータを動作させる際に考慮する必要のある基本的なパラメータには、主にi / p電圧、o / p電圧、およびo / p電流が含まれます。一般的に、これらのパラメータはすべて、主にVRタイプを決定するために使用されますトポロジーユーザーのICとよく一致しているかどうか。
このレギュレータの他のパラメータはスイッチング周波数であり、静止電流フィードバック電圧熱抵抗は要件に基づいて適用できる場合があります
スタンバイモードまたは軽負荷全体の効率が主な関心事になると、静止電流は重要になります。
スイッチング周波数をパラメータと見なすと、スイッチング周波数を活用することで、小規模なシステムのソリューションにつながる可能性があります。また、熱抵抗は、デバイスからの熱を取り除き、システムからの熱を溶解するのに危険な場合があります。
コントローラにMOSFETがある場合、その後、すべての導電性および動的損失パッケージ内で消費され、レギュレータの最高温度を測定したら検討する必要があります。
最も重要なパラメータはフィードバック電圧です。これは、ICが保持できるo / p電圧を決定するためです。これにより、o / p電圧の低下が制限され、精度が出力電圧のレギュレーションに影響を与えます。

正しい電圧レギュレータを選択する方法は？

重要なパラメータは、Vin、Vout、Iout、システムの優先順位など、設計者が電圧レギュレータを選択する際に重要な役割を果たします。制御の有効化や電源の良好な表示など、いくつかの追加の重要な機能。
設計者がこれらの必需品について説明したら、パラメトリック検索テーブルを使用して、好ましい必需品を満たすための最適な装置を見つけます。
設計者にとって、このテーブルは、設計者の要件を満たすために必要なパラメータを満たすために取得可能ないくつかの機能とパッケージを提供するため、非常に価値があります。
MPSのデバイスは、必要な外部部品の詳細、それらの値を測定して高性能で安定した効率的な設計を実現する方法を説明したデータシートで入手できます。
このデータシートは、主に出力の静電容量、フィードバック抵抗、o / pインダクタンスなどのコンポーネントの値を測定するのに役立ちます。
また、MPSmartソフトウェア/ DC / DCデザイナなどのシミュレーションツールを利用できます。MPSは、MP171xファミリ、HF500-xファミリ、MPQ4572-AEC1などのコンパクトなリニアでさまざまな効率的なスイッチングタイプを備えたさまざまな電圧レギュレータを提供します。、MP28310、MP20056、およびMPQ2013-AEC1。

制限/欠点

電圧レギュレータの制限は次のとおりです。

電圧レギュレータの主な制限の1つは、一部のアプリケーションで大電流が消費されるため、効率が悪いことです。
このICの電圧降下は抵抗器電圧降下。たとえば、電圧レギュレータの入力が5Vで、3Vのような出力を生成する場合、2つの端子間の電圧降下は2Vです。
レギュレータの効率は3Vまたは5Vに制限できます。つまり、これらのレギュレータは、より少ないVin / Vout差で適用できます。
どのアプリケーションでも、レギュレータの予想消費電力を考慮することは非常に重要です。入力電圧が高いと消費電力が大きくなり、過熱によりさまざまなコンポーネントが損傷する可能性があるためです。
もう1つの制限は、これらのレギュレータが降圧および変換を提供するため、スイッチングタイプと比較して単純に降圧変換が可能なことです。
スイッチングタイプのようなレギュレータは非常に効率的ですが、リニアタイプのレギュレータと比較して費用効果などのいくつかの欠点があり、より複雑で大きなサイズであり、外部コンポーネントを慎重に選択しないとより多くのノイズが発生する可能性があります。

これはすべてさまざまな種類の電圧レギュレータそしてそれらの動作原理。この記事に記載されている情報は、この概念をよりよく理解するのに役立つと信じています。さらに、この記事に関する質問や実装のヘルプについては電気および電子プロジェクト、下のコメントセクションにコメントすることで私たちにアプローチすることができます。ここにあなたへの質問があります–オルタネーター電圧レギュレーターはどこで使用しますか？