今回は、チャージポンプ回路のリップル電圧を概算してみます。
前回のチャージポンプ回路を考察しやすくするために、LTspiceの回路をパラメータ定義により整理しました。設計仕様は前回と同じく、5V入力で、4倍出力です。今回はPWM周波数、コンデンサ容量、負荷電流の関係性について考察しようと思います。
図１ チャージポンプ回路
図２に出力電圧とPWMのイメージ図を示します。出力電圧はPWMのタイミングで充電と放電を繰り返しますが、特にON期間中は前段のコンデンサから電荷をもらいつつ、出力に放出するので、電圧の減少する傾きがゆるやかになる一方で、OFF期間中は負荷電流にて放電します。
図２ 出力電圧とPWMのイメージ図
ただこれではリップル電圧を容易には計算できないので、図２の赤線の通り、「初めから負荷電流によって放電する」と仮定して計算してみます。その場合の計算式は、同じく図２に書いてある通りです。多分。
例えば今回の回路で言えば、
・負荷電流： 100mA、
・周波数：1 MHz (Ts = 1us)
・ｺﾝﾃﾞﾝｻ容量： 0.47uF
となるので、リップル電圧は図２中の式、第二項を用いて、
Vripple = (100mA) / (0.47uF) * 1us = 213 mV になります。
実際に回路を解析した結果が図３になります。リップル電圧は136.6mVでした。計算結果よりは少ない値になっています。この計算式の良いところは、リップル電圧を多めに勘定しているところです。図２の赤線でもわかるように、明らかに値が大きくなるように近似しています。つまり、「想定してたより大きい」、ということが無いはずです。
よってこの式により、リップル電圧という設計条件から、周波数やコンデンサ容量、負荷電流の関係性が分かるようになりました。
図３ 出力電圧のリップル成分の拡大図
図４ 出力電圧の解析結果
さて、いろいろと長ったらしく乱文駄文を書いてしまいましたが、SW周波数とコンデンサ容量の関係性が少し見えたかなーという感じです。リップル電圧を概算できるというのは、設計する時に役立つかも？しれません。
今回はここまで。
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