DC-DC fundamentals – charge pump regulator overview

Hello. DC-DCファンダメンタルズへようこそ。 私は翔です。 このセクションでは、チャージポンプレギュレータについて説明します。 チャージポンプレギュレータとは？ スイッチングレギュレータの一種で、コンデンサの充放電だけで電力を供給するものです。 電流が少なく、入出力電圧差が中程度のアプリケーションに適しています。 チャージポンプレギュレータの利点は、レギュレータ内にインダクタがないことです。 小型化を実現できます。 効率は中程度ですが、リニアレギュレータに比べると高いです。 また、VoutはVinより高くも低くもできます。 また、部品点数も少ないので、決定しやすく、使いやすい。 デメリットは、スイッチングによって高い出力リップルやノイズが発生することです。 また、コンデンサによって出力電流の容量が制限されます。 チャージポンプの仕組みは？ コンデンサの接続をスイッチで変更し、充電と放電を制御します。 この簡略化したグラフのように、スイッチS1〜S4が切り替わっています。 S1とS3がONの時、S2とS4はOFFになっています。 コンデンサは入力電圧によって充電されます。 そして、スイッチS1、S3がOFFになると、S2、S4がONになります。 そして、充電されたコンデンサは、出力負荷に放電することになります。 また、出力と接地の接続を逆にすることで、ユニティゲインコンバータからネガティブゲインインインバータになるのも面白いところです。 このページでは、チャージポンプ・レギュレータの一般的な構成を紹介します。 これは電圧倍増器と呼ばれています。 見ての通り、ユニティゲインのチャージポンプレギュレータと非常によく似ています。 また、スイッチングも4つのスイッチが必要です。 そして、この4つのスイッチは、似たようなスイッチングをします。 ユニティーゲイン・レギュレータと同じようにスイッチングします。 しかし、V出力のグランドをグランドに接続するのではなく、実際にはV出力の方がV入力を上にしています。 つまり、この場合、Voutは実際にはVinにコンデンサーの電圧を加えたものになります。 つまり、Vinの2倍の電圧が出力されることになります。 これが電圧倍増器と呼ばれる所以です。 前の2つのスライドでは、このレギュレーターにコンデンサーを1つだけ使用しています。 もし、チャージポンプ・レギュレータに2つのコンデンサを使用すれば、より多くのゲイン構成の組み合わせが可能になります。 次の図は、2つのコンデンサを接続した場合の典型的な構成を示しています。 そして、異なるゲインを実現することができます。 チャージポンプレギュレータ。 ポストレギュレータを搭載することにより、チャージポンプは出力電圧のきめ細かさを実現することができます。 また、ポストレギュレータとして有効に機能させることで、スイッチインピーダンスを制御することができます。 ご覧のように、スイッチS1、S3の代わりに、リニアレギュレータタイプのトランジスタを使用しています。 そして、R outは、スイッチインピーダンスR switchと、CF capのコンデンサでお使いのスイッチの周波数によって決まるスイッチドキャパンのインピーダンスを含めた実効出力インピーダンスになります。 そして、スイッチング周波数とスイッチインピーダンスを制御することで、微調整が可能です。 そして、チャージポンプのレギュレーションは2種類あります。 1つは、周波数の制御によるものです。 パルス周波数変調（Pulse Frequency Modulation）と呼んでいます。 このように、不要なパルスをスキップすることで、出力電圧を一定に保つことができます。 そして、PFMを使うメリットは、静止電流が非常に少なく、特に条件によっては高効率を実現できることです。 しかし、出力電圧のリップルが大きく、周波数が変動しやすいというデメリットがあります。 もう1つのタイプは、Constant Frequency Regulationと呼ばれるものです。 これは、スイッチの抵抗を制御することで実現します。 このタイプのレギュレーションでは、低電圧リップルを実現できるのがメリットです。 また、スイッチング周波数は比較的固定されています。 しかし、欠点は、高い静止電流を持っているので、効率が低いです。 まとめると、このセクションでは、チャージポンプレギュレータと、このタイプのDC-DCコンバータの動作とレギュレーションを紹介しました。 ありがとうございました。