絶縁型のスイッチトキャパシタの自作

現在RX62Nマイコンを使って簡易USBオシロを自作しようと考えているのですが、
電源のグランドをPCと絶縁したいため、始めは

３Ｗ級絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバーター（５Ｖ６００ｍＡ）
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-04261/

を使用しようと思っていたのですが、

以前5V入力⇒10V出力で出力35W程度のフィードバック制御なしの
「非絶縁型降圧チョークコンバータ」は自作した事があるので、
似たような感じで何とかなるのではないかと思い、
折角なら自作しようと考えました。

始めは「絶縁型フライバックコンバータ」など、
トランスを使用して作ろうかとも思ったのですが、
絶縁したい事ために、一層出力電圧のフィードバック制御が大変そうです。

そこで、スイッチトキャパシタを使って以下の写真のように回路を構成すれば、
特にフィードバック制御せずとも一定の電圧を確保でき、
且つ、絶縁もできると考えたのですが、、、どうでしょうか？

目標の出力は5Vの500mAです。

要点
1.フィードバック制御無しで電圧は一定に保たれるか？
2.絶縁は原理的にできていると言えるのか？
3.8pinのICパッケージになっているスイッチトキャパシタは出力の小さい物が多いが、500mAの確保は可能か？

よろしくお願いいたします。

No.5 ベストアンサー 回答者： tadys 回答日時： 2013/12/09 08:17

＞解決策としては、FETとショットキーバリアダイオードを並列に接続する……

これは良くやる手です。
ただし、オンオフのタイミングを誤ると無駄な電流が流れてかえってロスをしてしまいます。
フォトカプラによるディレイなどを考慮して１次側のFETのタイミングとは別途作成する必要があるでしょう。
この様な回路をアナログだけで実現するのは難しいです。
デジタル電源用のDSP等を使用すると楽になります。
http://news.mynavi.jp/series/microchip/001/

この回答へのお礼

私なりにDC-DC系のWebページは調べたつもりでしたが……
一般的なやり方だったとは驚きです。

なるほど、薄々アナログだけでは無理かなと思っていましたが、デジタル制御なんですね！

少し大変そうですが、何とかなりそうです。

皆さん、そしてtadysさんは何度もご回答ありがとうございました。
私の中でブラックボックスだったDC-DCコンバータの仕組みが次々紐解かれていって楽しかったです。

ありがとうございました。

お礼日時：2013/12/09 08:51

No.4 回答者： tadys 回答日時： 2013/12/08 20:54

＞高速のアイソレータが何かが良く分かりませんでしたが……

普通のフォトカプラではスピードが間に合いません。
この様なものでしたら、MOSFETのドライブ用に使用できます。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/opto/co …


＞と言うのは単純に二個直列にする？と言う意味でしょうか？
２個直列ですが、ソース同士をつなげます。
――ドレイン――ソース―ソース――ドレイン―― とすることでどちらかのFETで電圧を受け持ちます。

この回答への補足

tadysさん、度々ありがとうございます。

書き忘れていましたが、今回初めての質問で、
専門的な内容であるにも関わらず
皆さんに沢山の的確なアドバイスを頂けて感動しています。
（周囲にこんな話のできる人は居ないので）
よろしければ皆様もうしばらくお付き合いください。

暫らく回路図とにらめっこしていましたが、
No.3の時に教えていただいた回路図は本当に参考になりました。
こんなに単純な事だったとは！

アイソレータってフォトカタプラの事でしたか。
てっきり新種の絶縁性能を持ったトランジスタの一種があるのかと……解決です。

＞――ドレイン――ソース―ソース――ドレイン―― とすることでどちらかのFETで電圧を受け持ちます。
一瞬えっ？と思いましたが、調べてみればFETってどちらの方向にも電流を流せるんですね。

教えていただいた回路で、DC-DCを組む場合、
二次側の整流に使っているショットキーバリアダイオードによる電力損失が大きいので、
可能ならFETに変更したい所ですが、
絶縁は今教えていただいた高速タイプのフォトカタプラでできるとしても、
FETを駆動するための電気を確保しなくてはいけません。（当然ですが）

しかし、電源投入直後は二次側に電圧が無いためFETを駆動できません。
そこで、解決策としては、FETとショットキーバリアダイオードを並列に接続する……なんて事はしていいのでしょか？
（もっとスマートな方法があればいいのですが……絶縁電源のための絶縁電源を用意するよりはずっと簡単なはず）

//===

同じ事を私がアップした写真の回路図でFETのドライブ電源を絶縁しようとすると、
ちょっと方法が思いつきませんね。始めだけ３つ目のコンデンサを充電しておくとか？……こちらは廃案でしょうか？
（うまい方法があればダメ元でどの程度出力が取れるか試してみたいですが。そもそも、時定数=CRの関係で供給能力が足ら無さそうです。
通常のPCのUSBは最低500mA供給のため、V=IRより電源の内部抵抗は5=0.5*R⇔R=10Ω……私の怪しいExcelの計算が合っていれば、25kHzの1.6μFで100mA程度が限界になってしまいますね。）

補足日時：2013/12/08 22:59

No.3 回答者： tadys 回答日時： 2013/12/08 14:53

＞1.フィードバック制御無しで電圧は一定に保たれるか？

スイッチトキャパシタはレギュレーションが悪いので安定化の為の回路が必要です。
安定化回路を含むものも有ります。

＞2.絶縁は原理的にできていると言えるのか？
ゲートドライブのインバータの入力と出力は絶縁されていないので、絶縁されているとは言えません。
高速のアイソレータを使用すれば可能ですが、MOSFETでは逆電圧を阻止できないので２個組み合わせるなどの工夫が必要です。
それぞれのゲートドライブ回路を絶縁する必要があるのでドライブ回路が複雑になります。

＞3.8pinのICパッケージになっているスイッチトキャパシタは出力の小さい物が多いが、500mAの確保は可能か？
並列に動作させれば電流は増加出来ます。
単体で500ｍA以上を出力できるものも有りますが、絶縁型では使えないでしょう。
デジキーで「チャージポンプ」をキーワードで検索すれば見つかります。
http://www.digikey.jp/product-search/ja

＞トランスを使用して作ろうかとも思ったのですが、絶縁したい事ために、一層出力電圧のフィードバック制御が大変そうです。
TL431とフォトカプラの組み合わせで絶縁と電圧の設定が出来ます。
私が作った２Wクラスの絶縁型コンバータの回路を添付します。

絶縁型のDC-DCコンバータが欲しいのであれば、素直に市販のコンバータを利用する方が良いです。

この回答への補足

＞高速のアイソレータを使用すれば可能ですが、

高速のアイソレータが何かが良く分かりませんでしたが……

＞MOSFETでは逆電圧を阻止できないので２個組み合わせるなどの工夫が必要

と言うのは単純に二個直列にする？と言う意味でしょうか？
No.1のrabbit_catさんも、同じような事を言っていて、その時は、寄生ダイオードの問題なので当然二個直列にしただけではダイオードの向きが同じなので、順方向にショットキーバリアダイオードでも入れてみればいいのかなぁ……？と返したのですが。

回路図参考になります。
やはり自作するにしてもトランスを挟む構造が一番確実そうです。（当然買えばもっと確実ですが……）

＞絶縁型のDC-DCコンバータが欲しいのであれば、素直に市販のコンバータを利用する方が良いです。

当然それは分かっているのですが、（私にとって）DC-DCコンバータがあまりにもブラックボックスなので、どうなっているのか手を出してみたくなったんです。

しかし、最終的には安いし確実なので買うかもです。

補足日時：2013/12/08 16:31

No.2 回答者： xitian 回答日時： 2013/12/08 10:08

　仮に50kHzの50%デューティー比と仮定するとOFF時間が0.00001秒あります。

0.5Aを0.00001秒流す電荷は0.000005Q。リップル電圧を0.1Vに抑えるコンデンサ容量はQ=CVより50μF。しかし50μFを0.00001秒で充電できるのかどうか、疑問ではあります。

　このように周波数が高くリップル電流が大きい用途では高周波用電解コンデンサを選ぶ必要があります。普通のコンデンサでは常用すると発熱で短期間に劣化してしまいます。古い話ですがスイッチング電源が急に安くなった時代にはメーカーにもこの知識が無く1年で全数が故障しました。故障したら自分で修理するという個人的使用では問題にならないかもしれませんが。

　３Ｗ級絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバーター（５Ｖ６００ｍＡ）とやらは1600VDCの絶縁耐圧と書いてありますが、この回路ではゲート回路を別にしてもトランジスタの耐圧以上の絶縁は不可能です。最近はこんな回路でも絶縁と言うんですかね？

　一次側の電源側とGND側のFETには同じゲート電圧を与えていますがパルス電圧は何Vなんでしょうね。10Vに昇圧しているというならなるほど電源側もGND側もON/OFFするでしょう。

　このままのゲート回路では出力回路の電位が動くと二次側をON/OFFできなくなるでしょうが、抵抗を介してそれぞれバイアス電圧(OFFにする電圧)を与えてコンデンサカップリングでパルスを与えるなど簡単な方法で解決する可能性はありそうです。前の段落の問題も同様かな。

　実は、このままでは二次側電位が急に下がるとゲート電圧は同時に下がらないため二次側トランジスタがONしてしまい一次側と同時にONするタイミングが発生します。解決が必要です。

　トランジスタを耐圧1000Vのリレーに変えればこの形式で本当のアイソレーションができますが、動作周波数や寿命の問題を別にしても、おそらく接点の融着が頻発して一次二次が導通してしまいたいへん苦労することになると思います。そもそもそれでは当初の安く簡単にという目的を達しません。

　一次側も二次側も+5V、GNDと書いてありますがもちろん別のものでしょう。たとえば二次側は+V、0Vなど。

　私は馬鹿ですから作って動かしてみないと問題に気がつかない。絵を見て思いつく点だけ書くとこんなところです。

　一度確実で高価な方法を採ると永久にそのまま踏襲してしまい進歩がありません。簡単な方法に挑戦することは意味があると思います。がんばってください。

この回答への補足

FETで駆動するなら、もう少し工夫が必要そうですね……。

コンデンサの充放電に関しては、かるーく計算してみた所だと、供給能力が足りないような気がします……。

補足日時：2013/12/08 16:16

No.1 回答者： rabbit_cat 回答日時： 2013/12/08 09:11

ＬＳＩの中に作り込む回路なら、スイッチトキャパシタ回路は簡単に作れてほんとにいいんですけどね。

。

残念ながら、ＦＥＴをスイッチとして使う回路は、ディスクリートでは簡単には作れないです。
なぜなら、ディスクリートのＦＥＴは、通常、ボディ端子がソースに固定してあるせいで、寄生ダイオードがあって、逆方向はオフにできないので。
ＦＥＴを直列に２個セットで使うとかの工夫が必要です。
また、フィードバックはほぼ確実に必要だと思います。

それから、まあ、これは趣味の工作なら関係ない話ですが。
スイッチトキャパシタに限らず、ＬＳＩ内部の回路として使うことを意図して考え出された回路形式は、基本的に可能な限り抵抗、コイル、キャパシタの数を減らして、トランジスタの数を増やすという方向性になってます。ＬＳＩ内部では、トランジスタの占有面積（＝コスト）が激安なのにたいして、受動素子は巨大な面積を必要とするので。
一方、ディスクリートで回路を組む場合、可能な限りトランジスタを減らして、受動素子を増やすことが回路設計の要点になります。
というわけで、ＬＳＩ内部回路を念頭に考え出された回路と、ディスクリートで組むことを念頭に考え出された回路は、そもそもの目指すところが違ってます。少なくともコスト重視の産業利用では流用はほとんどありません。

この回答への補足

＞なぜなら、ディスクリートのＦＥＴは、通常、ボディ端子がソースに固定してあるせいで、寄生ダイオードがあって、逆方向はオフにできないので。

＞ＦＥＴを直列に２個セットで使うとかの工夫が必要です。


なるほど……しかし、FET２個だとP型にしろN型にしろ、
寄生ダイオードの向きが同じになってしまうので、
FETのソースの直前に、順方向にショットキーバリアダイオードを挿入する……
とかでしょうか？
（wikiでショットキーバリアダイオードを調べると
参照元：「http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%A7% …」
「逆方向耐電圧が低いという欠点もある」と書いてあるのが引っかかりますが――）

ところで気になったのですが、
例えば「非絶縁型降圧チョークコンバータ」
参照元：「http://www.geocities.jp/kin79e/dccon.html」
は当然回路を見るとFETでON・OFFしている訳ですが、
もし、FETが逆方向にOFFできないのなら、
二次側の電圧が高い場合、コンデンサに溜めた電気が
電源に逆流しないのが気になります。


＞フィードバックはほぼ確実に必要だと思います


ん～。絶縁した状態でフィードバックと言うのも
大変そうだなぁと思っていいる訳ですが、
（趣味でしかやっていない素人なので）

例えば「非絶縁型降圧チョークコンバータ」だと、
コイルの誘導起電力で電源電圧以上の高電圧が発生する……様ですが、

そもそも、コイルの誘導起電力と、コイルの過渡応答で発生する
高電圧は一緒の物と考えていたのですが……あれ？

コンデンサの場合も高電圧が発生する？……と理解が追いついていない感じです。
単純に考えれば、コンデンサは電源電圧までしか充電しないので、
二次側のコンデンサの電圧は電源電圧とおなじ５ｖになるだろう――
と考えていたのですが、、、

どうでしょうか？

No2.のxitianさんの解答は一読したのですがまだ良く分かっていません。（のちほど……

補足日時：2013/12/08 14:21