電圧制御は電力工学およびエレクトロニクスの重要な要素です。 私たちのガジェットが意図したとおりに動作し続けるためには、コンポーネントの送信端と受信端の間の電圧の大きさが一貫していることが不可欠です。 電圧レギュレーションには、さまざまな負荷状況下でほぼ一定の電圧を供給するという考えが含まれます。

これは、電圧調整回路によって行われる能動的な介入、または配電線や送電線に沿った電圧の降下などの受動的な特性に関連している可能性があります。 送電線間の電圧制御をさらに詳しく調べ、いくつかのアクティブな電圧制御手法を見ていきます。

電圧レギュレータ回路とは何を意味しますか?

電圧レギュレータの PCB 設計は、出力電圧を一定に保つように機能します。 これは、負荷条件や入力電圧が変化しても発生します。 電圧レギュレータは、多くの場合、可変出力電圧を備えた電源に接続されます。 レギュレータの出力に接続すると、デジタルコンポーネント、マイクロプロセッサ、その他の負荷などのより繊細なコンポーネントが、設定された電圧を供給するためにレギュレータに依存できます。

また、電圧レギュレータは DC から DC への変換に最も頻繁に使用されています。 一部には、AC から AC および AC から DC への変換機能も含まれています。 実際には、スイッチング電圧レギュレータとリニア電圧レギュレータの 2 つが最も一般的なタイプです。

電圧レギュレータの PCB 設計タイプ

リニアレギュレータ

アンプは、FET または BJT を使用して電源電圧を維持するリニア レギュレータを調整するために使用されます。 また、アンプはトランジスタを変更して、一貫した出力電圧を維持します。 これは、レギュレータの出力電圧を正確な基準電圧と比較することによって実現されます。

リニアレギュレータの出力電圧は常に低下します。 低ドロップアウトレギュレータは、低ドロップアウト電圧を有するリニアレギュレータとして説明できます。

スイッチングが関与していないため、レギュレータは発生するノイズが少なく、繊細な回路への電力供給に最適です。 一方、スイッチングレギュレータは、出力電圧を維持するために頻繁にスイッチを切り替えるため、本質的にノイズが発生します。

リニア レギュレータは、適切に構成されていれば、比較的低い静止電流で機能します。 スイッチングレギュレータは複雑なフィードバックメカニズムを採用しており、最終的にはより多くの静止電力を消費します。 このようなレギュレータは、LDO として動作するときに非常に高い効率 (90%) を示すことがあります。 リニアレギュレータは安価になり、あらゆるレイアウトに簡単に組み込むことができるようになりました。 多くの部品やフィルターは必要ありません。

出力電圧の制御を支援するために、通常、出力電圧全体にコンデンサが取り付けられます。

スイッチングレギュレータ

パワー BJT または MOSFET スイッチを使用して、スイッチング レギュレータは入力電圧レベルをより安定した DC 出力に変換します。 出力電圧時のスイッチング ノイズを下げるために、スイッチング レギュレータからのすべての出力がフィルタリングされることがよくあります。 スイッチ レギュレータには 3 つの異なる種類があります。これらには、昇圧または昇圧、降圧または降圧、および昇降圧 (降圧または昇圧を提供することも可能) が含まれます。

これらのスイッチングレギュレータは、オンモードまたはオフモードのいずれかで動作できるため、多くの場合、より効果的です。 また、90% 以上の効率を実現できますが、LDO として機能するように特別に作られていない限り、ほとんどのリニア レギュレータにとってこれを達成するのは非常に困難です。

これは、短期間に高電圧が必要な場合 (カメラのバックライトなど) に非常に役立ちます。

リニア レギュレータは効果が低下するため、通常はより多くの熱を発生し、ヒートシンクが必要になります。 多くの場合、スイッチングレギュレータにはヒートシンクは必要ありません。

PCB 設計用の電圧レギュレータを選択する方法

騒音と効率

スイッチング レギュレータはリニア レギュレータに比べてより多くのノイズを生成しますが、効率はより高くなります。 レギュレータが大電流を供給すると、不要な電気ノイズが他の回路に混乱をもたらす可能性があります。 製品の販売を希望する場合、EMC 認定を取得するのはさらに困難になる可能性があります。 アナログのみのコンポーネントなど、ボード上の他のプリント回路が大量の電力を必要とする場合は、リニア レギュレータを使用することをお勧めします。

電力損失が過度に大きいレギュレータを選択すると、効率目標の達成がほぼ困難になる可能性があります。 リニア レギュレータの騒音ははるかに小さくなりますが、（LDO を除いて）非常に非効率であるため、電力の一部が熱に変換されます。

レギュレータが高電流で動作する場合は常に、ヒートシンクを主にボードに取り付けます。 回路基板上にヒートシンク用のスペースがない場合、または電力消費が問題になる場合には、スイッチングレギュレータが望ましい選択肢となる可能性があります。

過渡応答

出力電流が急速に変動すると、出力内に短いスパイクが発生します。 この電圧調整器は同じ電圧に戻るまでにしばらく時間がかかります。 これを一過性反応といいます。 通常、その出力容量と負荷電流によって過渡応答が決まります。 素早い過渡応答により、レギュレータが必要な電力を供給できることが保証されます。 コンポーネントのデータシートでレギュレータの出力に必要なバイパス コンデンサを検索します。

回路ブロックごとにレイアウト

完全なシステム アーキテクチャを確認できるため、安全性と低 EMI を保証するためにシステムに結合された電源のスイッチング電源内にすべての回路ブロックを配置する方法をよりよく理解できるようになります。 回路基板のレイアウトを設計するときは、ブロック図全体を念頭に置いてください。

セクション構成: 複数の機能ブロックを持つ他のボードと同じように、ボードの電源を部分的に配置するようにしてください。 これは、ブロック図全体で入力から出力に移動し、このプロセスを線形に実行するために許容されます。

フィードバックを考慮したレイアウト: 高精度の大電流レギュレータのように、セクション間でフィードバックが発生する場合があります。 各コンポーネント間に存在するこのグランド ギャップを埋めるには、フォトカプラを使用します。

リターンはグランド パスに従う: 「グランド リターン パスに従う」はおそらく、すべての設計に適用される回路基板の唯一のルールです。 電源に関しては、コモンモード電流の潜在的なホットスポットを特定し、すべての電源セグメントの低ループインダクタンスを維持することが重要です。

高電圧レールと高電流レールに細心の注意を払ってください。高電圧設計と高電流設計が組み合わされる場合があります。 両方の導体の間の最小距離は、それらの間の最大電位差によって決まり(IPC-2221を参照)、低温を維持するために必要な最小幅は、導体が流す電流によって決まります(外部接続についてはIPC-2152を確認してください)。 または内部層）。

結論

電圧を調整する必要がある場合、多くの場合、電圧調整ボードが存在します。 たとえば、無線電話の AC コンバータは 120 VAC 電力を 8 VAC に下げることがあります。 電圧レギュレータは電話機のベース内に配置され、ベースの電子機器に必要な DC 電圧を供給します。 電話機内に DC-DC アダプタが組み込まれている場合があります。 これは、電子機器に適切な電圧を供給する際に電圧レギュレータを利用します。 要約すると、電圧制御は電力工学およびエレクトロニクスの重要な要素であると言えます。 私たちのガジェットが意図したとおりに動作し続けるためには、コンポーネントの送信端と受信端の間の電圧の大きさが一貫していることが不可欠です。