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LTspiceでチャージポンプ負電源

見城尚志著電子回路入門講座よりチャージポンプ型の負電源回路のシミュレーションをLTspiceで行い、負荷電流の増大にともない出力電圧が降下し、リプル電圧が増える様子を確認しました。この場合の電力の変換効率は、最大でも50%程度であり、DCDCコンバータとしてはかなり低い方です。

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簡単な負電源の必要性


マイコン回路などの単電源で動作させることが多い回路であっても、2-3個のOPアンプを利用したい場合はよくあります。
こういった場合は、単電源OPアンプを利用することになるかと思いますが、単電源OPアンプは、各種のパラメータで両電源OPアンプに劣っている場合が多いですしGND付近での非線形性など、単電源であることに起因する問題も存在します。

要求される出力電流が小さい場合、簡易的な負電源を用意する方が手間が化からない事も多いです。
手軽にn倍電圧やn倍負電圧を用意する方法として、チャージポンプ型(スイッチトキャパシタ方式、コッククロフト・ウォルトン回路とも)の電源が挙げられます。
今回のエントリでは、見城尚志著電子回路入門講座のP339よりNE555を用いた負電圧発生回路をLTspiceを用いてシミュレーションします。

ロードレギュレーション


ダイオードのモデルには1N4148を用いました。

負荷電流を0-60mAまで変化させたときに、出力電圧やその変動がどのようになるかをシミュレーションしました。
以下にLTspiceによる結果を示します。


001_20110128034301.png
fig.1: チャージポンプ負電源のスケマティック

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fig.2: 出力電圧波形

003_20110128034301.png
fig.3: 出力電流に対する出力電圧、及び、出力電圧変動


fig.2に示したのが、それぞれの出力電流における出力電圧波形をプロットしたものです。

これを、LTspiceで.meas(実効値,積分値など)の方法を使って、分かり易くプロットしなおしたものがfig.3です。横軸に出力電流をとっています。
赤のラインで示したのが、出力電圧の絶対値です。理想的には12Vとなるはずですが、出力電流が大きくなるにつれて電圧降下が起こっていることが確認できます。
このグラフに関しては、電子回路入門講座に実測データが示されています。比較を行ったところ、LTspiceのシミュレーション結果の方が現実の回路よりも優れた特性を示しているため、実際に製作する場合は充分に余裕を持った設計をする必要があります。

同様に、出力電圧の変動(リプル)をピークtoピークでプロットしたのがfig.3の緑のラインです。出力電流が大きくなるほどリプルも大きく、ノイジーになっていることが分かります。

変換効率


LTspiceで.meas(実効値,積分値など)の方法を使い、入出力間の変換効率を求めました。


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fig.4: 変換効率のシミュレーション用スケマティック

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fig.5: 出力電流に対する変換効率(%)


変換効率は、最大でも50%程度となっており、DCDCコンバータとしては極めて悪い値です。

アプリケーション例


チャージポンプ式電源は、電力を取り出すための電源回路としては必ずしも優れているわけではありませんが、簡単に高い電圧を作り出すことができるという点では優れています。

応用回路としては、以下のようなものがあげられます。



タイマIC:NE555について


さて、今回の回路の中心部分となっているタイマICの555ですが、最近は話題に上がることが多くなっています。
トランジスタ技術2010年12月号2011年01月号では555の特集を行っていましたし、WEB上では555を題材にしたコンテストが開催されています(応募締め切りは2011年3月1日!)。

このタイマICであるNE555は古いICですが、今でも頻繁に利用されます。
特にCMOS版の互換ICであるLMC555は秋月電子通商で極めて安価に販売されているため、アマチュア電子工作で非常に良く使われます。私も以下のような点でとても気に入っています。

  • 安い
  • 電源電圧範囲が比較的広い
  • 出力電流容量が大きい


関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


参考文献/使用機器




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tag: LTspice NE555 LM555 

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No title

こんにちは、拝見しました。
R1が小さすぎるように思いました、DIS端子がオンすると12mAほど流れ、これは発振に寄与しません。
デューティが50%とすると約70mW消費することになります。
そこでR1を4.7Kに、ダイオードをショットキーバリアダイオードの1N5187に変更してシミュレーションしたところ、効率は最高で58%程度にまでなりました。それでもまだまだ悪いですね。
.measの使い方は大変参考になりました。
効率のグラフはlogファイル開いてエクセルに貼り付けて作りましたが、簡単な方法があるのでしょうか?

Re: No title

edyさん、こんにちは。

今回のシミュレーションでは、できるだけオリジナルの回路を再現する方向で行いました。
もともとのダイオードは1S953で、どうやらNECの小信号用シリコンダイオードのようだったので、とりあえず1N4148を採用しました。

推測ですが、どうせ効率は上がらないので、手元にある汎用部品で組めるようにしようという設計思想なのかな、と思っています。
いずれにせよ、目的に応じて回路定数はまだまだいじれると思います。ショットキーバリアダイオードはいいアイデアだと思いますし、他にも例えば、発振周波数を上げればリプルが減らせるかもしれません。

効率のグラフはLTspiceだけで書くことができます。
シミュレーションが完了した後に[View]→[SPICE Error Log]で開いたエラーログの画面内部で[右クリック]→[Plot .step'ed .meas data]とすれば新しいグラフウインドウが立ち上がります。通常のグラフウインドウと同様に[右クリック]→[Add Trace]とすれば好きなグラフが描けます。

ブログにアップロードはしていませんが.measで作ったグラフからも.pltファイルを作ることができます。通常の.pltファイルを上書きしてしまわないために.log.pltという二重拡張子になるようです。例えば、今回のファイル名ならcpump.log.pltとなりますね。
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