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May 22, 2023

LTspice での負電圧チャージ ポンプの解析 - ソース抵抗と負荷抵抗

In precedenza ho scritto un articolo in cui spiegavo i principi di base della negatività.

以前、負電圧の基本原理を説明する記事を書きましたが、LTspice ラボでこのテーマを継続し、シミュレーションを使用して負電圧が電気回路内で発生し、電気回路によって生成されるものであることを解明しました。 この LTspice ラボの一環として、安定して他のコンポーネントに電流を供給できる負の電圧を生成できる回路トポロジーも紹介します。

この新しい記事シリーズでは、実際のスイッチト キャパシタ電源や電源が一般的にどのように動作するかについての理解を深めることを目的として、この負電圧回路の機能をさらに詳しく見ていきたいと思います。最適化することができます。

本題に入る前に、図 1 を見てみましょう。図 1 は、前回の負電圧の記事で紹介したチャージ ポンプ回路を示しています。

回路図では、V1 は入力電圧を生成し、V2 は 4 つのスイッチすべてを制御する 500 kHz の方形波を生成します。 SW1 モデルと SW2 モデルではオン状態とオフ状態に割り当てられた抵抗値が異なるため、S2 と S3 がオフのときは S1 と S3 がオンになり、その逆も同様です。 S1 と S3 に電流が流れると、電源電圧によってコンデンサ C1 が充電され、4 つのスイッチすべてが状態を変更して、C1 が回路の右側に放電します。

次に、C2にはV1電源電圧と等しい電位差が得られますが、C2の高圧側端子は接地されているため、低圧側端子は負電圧領域に移行する必要があります。 したがって、INVERTED ノードの電圧は負の V(SOURCE) に等しくなります。 つまり、VOUT = –VIN となります。

以下のプロット (図 2) は、出力電圧が –VIN までポンプダウンされ、その後 –VIN に留まる様子を示しています。

おそらく、スイッチト キャパシタ回路が真実すぎるのではないかと疑問に思われるかもしれません。 2 つのコンデンサ、4 つのスイッチ、そして方形波だけですか? 適切に調整された負の電圧供給レールを生成するために必要なのはこれだけですか? そうですね、完全ではありません。 この回路は実際には電圧レギュレータではありません。

これは、リニア レギュレータとスイッチ モード レギュレータの両方の動作の中心となるもの、つまりフィードバック サブシステムが欠けているため、電圧レギュレータではありません。 レギュレータは、出力を監視し、負帰還を通じて負荷変動を補償することにより、安定した予測可能な電源電圧を維持します。

当社のスイッチトキャパシタチャージポンプにはいかなる負帰還制御システムも備えていないため、負荷抵抗が減少すると、それに対応して出力電圧も減少します。 これは、出力ネットワークが本質的に分圧器であるために発生します。 これを念頭に置くと、RLOAD = 100 kΩ の場合、出力で完全な –VIN が得られます。これは、100 kΩ がチャージ ポンプのソース抵抗 (ROUT) よりはるかに高いためです。 RLOAD が ROUT に向かって減少するにつれて、電圧はこれら 2 つの抵抗間でより均等に分割され、その結果、出力電圧 (つまり、RLOAD の両端の電圧) が減少します。

これを負荷電流の観点から考えることもできます。 負荷回路の動作が変化し、電源がより多くの電流を供給する必要があるとします (これは電気的に RLOAD の減少と等価です)。 これが発生すると、ROUT を介してより多くの電流が流れ、ROUT の両端でより多くの電圧が降下し、出力ノードで利用できる入力電位差の割合が小さくなります。

LTspice 回路図上に配置された .step テキスト コマンドを使用して、さまざまな RLOAD の影響を視覚的に評価できます。

このステートメントにより、変数 LOAD に関連付けられたリスト内の値ごとにシミュレーションが 1 回実行されます。 これらの値を RLOAD コンポーネントに割り当てたいので、コンポーネント値フィールドで {LOAD} (中括弧を忘れないでください) を使用してこれを実現します (図 3 を参照)。

結果は以下の図 4 に示されています。

3 つの最も高い抵抗値 (100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ) はすべて同様の性能をもたらし、これら 3 つの値に対応するトレースはほとんど区別できません。 ただし、100 Ω (ベージュのトレース) では出力電圧の低下が見られ始め、10 Ω (緑のトレース) では低下がかなり厳しくなります。

(負荷抵抗が減少すると電圧リップルが大幅に増加することにも気づいたと思います。これについてはパート 2 で説明します。)

このようなシミュレーションは、回路が特定のアプリケーションに対して適切な出力電圧を維持できるかどうかを判断するのに役立ちます。 –5 V ± 0.3 V の電源要件を持つコンポーネントに電力を供給するには負の電圧が必要だとします。 この場合、許容可能な最小電圧の大きさは 4.7 V です。前の結果を開始点として使用して、関連する電圧しきい値に近づく RLOAD 値を使用して別のシミュレーション (図 5) を作成します。

私たちの結果は、安全な最小 RLOAD が 70 Ω をわずかに下回る値であることを示唆しています。 それを 65 Ω と呼びます。 RLOAD = 65 Ωでの 1 回の実行シミュレーションにより、(理論的には) 許容範囲内にあることが確認されます。これは、以下の図 6 に示されています。

オームの法則によれば、RLOAD = 65 Ωの場合の負荷電流は約 74 mA になります。これは、必要に応じてシミュレーションで確認できます。 したがって、合計負荷電流が 74 mA 未満であれば、チャージ ポンプは問題のコンポーネントに対して適切な負の電源電圧を維持できると結論付けます。

全体として、LTspice スイッチト キャパシタ チャージ ポンプの興味深い詳細をいくつか調べました。この回路は電圧レギュレータではないことに注目し、.step シミュレーションを使用して負荷電流能力を決定しました。 次回の記事では、出力リップルについて詳しく見ていきます。