今回は、DC-DCコンバータ部回路の定数を決めて行きます。
３、回路検討
前回考えた試作回路に、以下訂正したものを示します。
※訂正箇所：R16下端がCHG-端子にあったものを、GNDに移動
この回路をたたき台として、定数を詰めて行きます。
３．１ 入力電圧（VCC）、電流検出抵抗
DC-DCコンバータにおいて、依存する要素が多い、入力電圧（VCC）を決定します。
・VCC = (四本時の終止電圧)＋(電流検出抵抗の電圧)＋(Q13・D12aの損失)
四本時の終止電圧は、1.4 × 4 = 5.6V です。
Q13・D12aの損失は、1V程度をみておきます。
電流検出抵抗の電圧は、まず、その抵抗値を決める必要があります。
AVRのADコンバータの内部基準電圧の使用を仮定すると、その上限は、Vref = 2.1V となります。
充電電流の最大値230mAのとき、抵抗値は、2.1V / 230mA = 9.13Ω 以下である必要があります。
逆に、充電電流の最小値75mAのとき、極端に検出電圧が低いと、ノイズに弱くなる恐れがあります。
今回、0.2V程度を限界とすると、0.2V / 75mA = 2.67Ω 以上となります。
ここでは中間値で、一般値をとって、
∴R17 = 4.7Ω
にしておきます。
これより、必要な入力電圧は、
・VCC = 5.6V ＋ (4.7Ω× 230mA) ＋ 1V = 7.68V
ここでは、AC6Vを整流すると、6Ｖ × 1.4 = 8.4V が得られるので、
∴VCC = 8.4V
にしておきます。
３．２ 電圧検出抵抗
Vsense端子の電圧が、ADコンバータの基準電圧 Vref = 2.1V 以下の必要があり、また、ADコンバータの入力抵抗10kΩに対して、十分低い必要があります。
電池四本時の最高電圧が、1.4V × 4 = 5.6V なので、
・R15 ： R16 = (5.6V - 2.1V) ： 2.1V = 1.67 ： 1
R15が、R16の1.67倍以上あり、10kΩより十分小さければ良いので、ここでは、
∴R15 = 1kΩ
∴R16 = 470Ω
にしておきます。
※ただし、この抵抗は、無負荷時のアイドル電流を流すための抵抗を兼用できますので、ここでは仮決めとして、次回カット＆トライで再決定します。
３．３ コイル（インダクタ）
DC-DCコンバータで、最も重要な要素です。
算出原理は、ABCDEFGさまの降圧型DC-DCコンバータに関するサイトを参考にしました。
まず、仮に「連続モード」であるとして、Lの値を算出します。
Lの値は、上記サイトの式(1)を変形して算出します。
・L = (Vi－Vo)×Ton / ⊿I
(1)⊿I(max)が最小のとき
・Vo = (単４一本時の最小電圧）＋（電流検出抵抗の電圧） = 1.0V ＋ (4.7Ω×75mA) = 1.35V
・Ton = Tpwm × (Vo / Vi)
Tpwmは、AVRのPWM周期なので、1 / 32kHz = 31.25us にします。
よって、Ton = 31.25us × (1.35V / 8.4V) = 5.02us
・L(@75mA) = (8.4V － 1.35V) × 5.02us / 75mA = 472uH
(2)⊿I(max)が最大のとき
・Vo = (単３四本時の最小電圧）＋（電流検出抵抗の電圧） = 4.0V ＋ (4.7Ω×240mA) = 5.13V
・Ton = 31.25us × (5.13V / 8.4V) = 19.1us
・L(@240mA) = (8.4V － 5.13V) × 19.1us / 240mA = 260uH
通常動作で、「連続モード」であるか確認します。
同様に、ABCDEFGさまの動作モードに関するサイトを参考にします。
上記サイトの式(23)を変形すると、
・Lmin = 0.125 × (Vimax / Iomin) / ｆ = 0.125 × (8.4 / 75mA) / 32kHz = 437.5uH
よって、472uHに近い、一般値を採用します。
∴L11 = 470uH
合わせて、コイルの定格電流を求めておきます。
・Imax = ⊿I(max) ＋ Io = 240mA + 240mA = 480mA
よって、定格電流0.5A以上のものを選びます。
３．４ 出力コンデンサ
出力コンデンサC12には、以下値のリップル電流が流れます。
・|Iripple| = (Vi - Vo) × Ton / L または Vo × Toff / L
この値は、コイルに流れる⊿Ｉの最大値そのものです。
よって、リップル電流が240mAを許容するコンデンサが必要となります。
ここでは、手持ちに「日本ケミコン製KZHシリーズ」1000uF 16V耐圧のものがあり、リップル電流が1410mAだったので、ちょっと良過ぎますが、本品の値を採用しておきます。
また、コンデンサのインピーダンスにリップル電流を掛けたものが、出力に現れるリップル電圧となります。
本品のインピーダンスは、0.11Ω(-10℃)だったので、
・|Vripple| = 240mA × 0.11Ω = 2.64mV
となり、特に問題なくOKとします。
∴C12 = 1000uF
３．５ Q13ゲート抵抗・Q12ベース抵抗
Q13のゲートを直結でスイッチングすると、ゲート容量の影響でリンギングが発生します。これはスイッチングの重大な誤動作を招くので、抵抗を挿入して抑制する必要があります。
これはカット＆トライが必要なため、仮に10Ωにしておき、実験で決定します。
次にQ12のベース抵抗ですが、あまり大きいとQ12が十分にオンせずに、Q13のゲート電荷を吐き出せなくなります。逆に小さすぎると、ドライバQ11の負担が大きくなると同時に、無駄な電流を流し続けることになります。
これもカット＆トライが必要なので、仮に4.7kΩにしておき、実験で決定します。
ここまでの定数を反映した回路を、以下に示します。
今回は、計算ばかりで申訳ありませんでした･･･
次回の予定
次回は、上記回路を仮組みして、実験を行います。
予告代わりに、実験開始直後の画像を掲載します。
※回路図とは異なり、実験用にバー表示LEDを実装して、ADコンバータの出力値10ビットを表示させています。
