電池２本で動作する機器の電源を考えてみました。
ＨＴ７７５０Ａは回路が簡単で効率がよいのですが、負電源が必要な時は、さらに電圧インバータを外付けする
必要があります。
ＨＴ７７５０Ａは電圧を調整出来ず、電圧安定度も良くありません。
また、ＨＴ７７５０Ａのリップルノイズは、どういう訳か取りにくく、苦労します。
今回はＰＩＣマイコンを使い、一度に±５Ｖを出力する電源を考えてみました。
電源は単３電池２本とします。
ここではニッケル水素電池２本を想定し、２．４Ｖを定格電圧とします。
勿論、アルカリ電池も使えるように使用電圧範囲を２Ｖ〜３Ｖとします。
アルカリ電池２本でも３Ｖあるのは新しい時だけで、平均的な電圧は、やはり２．４Ｖ程度です。
＋側負荷電流を２５ｍＡ、−側負荷電流を５ｍＡとします。
最近のＣＰＵやＯＰアンプは消費電流が少ないので、これくらいで十分です。
さらに大きな電流を必要とする場合は、電池の持ちを考えた場合、電池の本数を４本〜６本にした方が良いと思います。
効率は使用電圧範囲で６０％以上とします。
ＰＩＣマイコンを使用した小電力の電源ということで、効率を上げにくいと考え、目標を甘くしました。
回路図をクリックすると拡大表示されます。
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制御はＰＩＣ１２Ｆ１８２２マイコンで基準電圧と出力電圧を比較し、ＰＷＭ制御します。
ＰＩＣ１２Ｆ１８２２は安価で高機能であるため最近使い始めました。
アナログコンパレータとハードウエアＰＷＭ機能は１２Ｆ６８３にも有ったのですが、今回は内部基準電圧と
ハーフブリッジ出力回路を新たに使う事が出来ました。
ＰＷＭ周期は５０ＫＨｚ固定で、デューティーは０〜５０％に制御されます。
＋側出力で制御していますが、トランス二次側の＋側、−側の巻き数比が１：１ですので正側出力電圧と負側出力電圧は、ほぼ
同じになります。
ただし、負側の電流は正側の電流より小さくします。
尚、ＭＣＬＲピンは入力ピンに設定し、内部でプルアップされています。
このピンをグラウンドに短絡するとＣＰＵは出力を遮断してスリープします。
スイッチ素子を選択するには苦労しました。
仮に電池の電圧が２Ｖとすると入力電流は電圧比で負荷電流の２．５倍、デューティーが４０％と仮定するとピーク値は
２．５倍、効率の逆数で１．５倍、合計１０倍程度の電流が流れます。
負荷側の合計電流が３０ｍＡとすると入力スイッチには３００ｍＡのピーク電流が流れます。
従ってスイッチ素子は１Ａ以上流せるものが必要となります。
トランジスタはベース駆動が大変であり、蓄積時間でオフが遅れるのでＭＯＳＦＥＴを使いたいのですが、電源電圧が低い為、
確実にオンさせる事が大変です。
一般に売られているＭＯＳＦＥＴはゲートスレッショルド電圧が２Ｖ程度なので電源電圧は３Ｖ以上は必要です。
ゲートスレッショルド電圧が１Ｖ程度のものが欲しいのですが、なかなか見つかりません。
やっと２ＳＫ２４９３が入手できたので、これを使うことにしました。
ただし、２ＳＫ２４９３はドレイン耐圧が１６Ｖと低く、注意する必要があります。
今回は巻き線の一次側にダイオードとツェナーダイオードの直列回路を入れ、素子の保護とノイズの低減を兼ねています。
以前、電池４本で２ＳＫ２２３１を駆動した時は電源電圧も高く、素子のゲート容量も小さかったのでＣＰＵで
直接駆動したのですが、２ＳＫ２４９３のゲート容量は２ＳＫ２２３１の３倍程度あり、電源電圧も低いのでトランジスタで
ゲートをドライブしました。
ＰＩＣ１２Ｆ１８２２にはハーフブリッジ用の出力回路があるので、これを利用しました。
ただし、ハイサイド側はＰＮＰですのでポートの出力は反転する設定とします。
（ローサイド側のポート出力は非反転）
トランスは手持ちのフェライト＃４３材のトロイダルコア（ＦＴ−５０＃４３）にＵＥＷ線を巻いて作りました。
本当はギャップが入れられるＥＩコアの方が望ましいかもしれません。
まず０．２６ｍｍのＵＥＷで二次巻き線を４０回・４０回のバイファイラ巻きにします。
その上に０．６ｍｍのＵＥＷを１２回巻き、一次巻き線とします。
ここで、巻き始め、巻き終わりを明確に認識しておく必要があります。
巻き始め、巻き終わりというのは作業の順序ではなく、巻く方向の相対的な基準です。
回路図では巻き線に黒点の着いた方が巻き始めです。
相対的な関係ですので、黒点の位置は巻き線の逆側でもよく、一次側を逆にしたら二次側も逆にすれば良いです。
二次巻き線は２組あるので（バイファイラ巻き）一方の巻き始めと他方の巻き始めを結んでセンタータップとします。
トランスの製作は経験に基づいた感覚的ものですが、立派に？動作しています。
それでもコアのＡＬ値等の若干の知識とＬメータ程度は必要です。
フライバックコンバータの設計手順を書いた書籍も探せばあると思いますので、興味のある人は参考にしてください。
コアの寸法が小さすぎると飽和しやすくなりますし、線が巻けなくなります。
コアが大きすぎると自分自身を励磁するエネルギーが大きくなるので効率が下がります。
ソフトウエアはＭｉｋｒｏＣで作成しました。
短い簡単なプログラムですが、レジスタの設定ヶ所が結構多く、作成後、慎重に見直します。
毎回言いますが、ＭｉｋｒｏＣはコンフィギュレーションをファイルに書けないので、プロジェクトに設定するのですが、
誤操作で消してしまうことがあります。
従って、コメントとして残しておきます。
デホルトのままで良いところも書いておくと良いと思います。
今回のソースファイルを下に示します。
レジスタの設定を沢山行うので面倒ですが、あとは基準電圧と出力電圧を比較してＰＷＭのデューティーを上げたり下げたり
しているだけです。
ポートＲＡ３端子を接地するとＣＰＵは出力を遮断してスリープするようになっています。
ＰＷＭの周期は２０ｕＳ（５０ＫＨｚ）固定です。
ＭＯＳＦＥＴの出力はデューティー０〜５０％に変化します。（パルス幅で０〜１０ｕＳ）
ただし、ハーフブリッジの出力のハイサイド、ローサイドの立ち上がりに０．５ｕＳのディレーを入れている関係で、ゲート
駆動パルスが、この分、やせ細ります。
これを見越して、ＰＷＭの設定はパルス幅で０．５ｕＳ〜１０．５ｕＳとしています。
///////////////////////////////////////////////
// ３Ｖから±５Ｖ電源 swreg2.c //
// 2012/01/24 PIC12F1822 MikroC Ver4.60 //
///////////////////////////////////////////////
// CLOCK 8MHz
// Oscillator INTOSC, Watchdog controlled by SWDTEN bit, Power-up Timer ON,
// MCLR Pin OFF, Code Protection OFF, Data Protection OFF,
// Brown-out Reset OFF, Clock Out OFF, Int/Ext Switchover OFF,
// Fail-safe Clock Monitor OFF, F-Memory Self W-protection OFF, Pll OFF
// Stack Of/Uf Reset ON, Brown-out Reset 1.9V, LVP OFF
unsigned char duty;
void main(){
OSCCON = 0x72; //内部 8MHz
OPTION_REG = 0xf; //タイマー０関連ダミー
ANSELA = 0x2; //AN1
FVRCON = 0x84; //VREF=1.024V
LATA = 0x4; //driver OFF
TRISA = 0x3a; //RA2,RA0 = OUTPUT
CM1CON0 = 0x84; //Comparator Enable,higher speed,hysteresis disabled
CM1CON1 = 0x20; //FIX VOLTAGE Reference
WPUA = 0x38; //PULL UP
WDTCON = 0xf; //ウオッチドッグ128mS
asm CLRWDT; //WDT CLR
CCP1CON = 0x8e; //PWM ACTIVE L
PWM1CON = 1; //DELAY
PR2 = 39; //(39+1) x 0.5u = 20uS
duty = 1; //デューティー1からスタート
CCPR1L = duty; //デューティーをセット
T2CON = 0x4; //T2 ON プリスケーラー無し
while(1){
asm CLRWDT; //WDT CLR
if(CM1CON0.B6){ //出力電圧が低い時
if(duty < 21) duty++; //デューティーを上げる
}
else { //出力電圧が高い時
if(duty > 1) duty--; //デューティーを下げる
}
CCPR1L = duty; //デューティーをセット
Delay_us(40); //40uS待つ
if(!PORTA.B3){
LATA = 0x4; //FET OFF
break; //遮断信号で終了
}
}
TRISA = 0xf; //ALL INPUT
T2CON = 0;
WDTCON = 0;
asm SLEEP; //スリープ
asm NOP;
}
いきなり、電池を電源としてはいけません。
必ず、電圧、電流を設定出来る定電圧電源に接続します。
結線間違いやソフトのバグでＦＥＴがオンのままになってしまう場合があります。
トランスの巻き始め、巻き終わりを間違えても過大電流が流れます。
写真は今回、試作した回路です。
試行錯誤の結果、若干、不要な部品が付いています。
右側の抵抗２本はダミーの負荷です。
＋側に２００Ωの負荷抵抗（実測１９９Ω）を接続し、−側に１ＫΩ（実測９９２Ω）を接続し、入力電圧を変化させて
特性をプロットしました。
この抵抗値を定格負荷とします。
出力電圧の安定度は良好で、効率は７０％程度です。
最初に定めた目標を十分満たしています。
ＰＩＣ１２Ｆ１８２２の最低動作電圧は１．８Ｖですが、ＣＰＵ自体はもう少し低い電圧でも動作するようです。
ただし、電源として安心使えるのは１．８Ｖ以上でしょう。
電源電圧が３．２Ｖを越えると若干、効率が落ちますが３．６Ｖでも十分使えます。
上記の表の内、負荷を一定に保ったまま、入力電圧を変化させた場合の入力電流の変化をグラフにしてみました。
入力電圧が下がった場合、負荷に一定の電力を供給するためには入力電流を増やさなければなりません。
最低動作電圧付近で入力電流は最大となります。
この電流は平均値ですので素子のピーク値は２．５倍程度になります。
素晴らしい電圧安定度です。
出力電圧は可変抵抗器で調整出来ます。
グラフは見やすいように符号を反転していますので、実際には−の電圧です。
こちらも問題ない安定度です。
効率は使用範囲で７０％程度です。
実際の使用では保護回路等を付加するので６５％程度になると思います。
微妙に不規則なのは測定誤差の影響があると思います。
最初定めた動作条件では好結果が得られましたが、多少の余裕が必要と思い、負荷を若干重くしてみました。
＋側の負荷抵抗は実測１４８Ω、−側の負荷抵抗は実測７３８Ωです。
結果は良好で、まだ多少の余裕がありそうですが、これ以上の重い負荷は試していません。
負荷が重くなった分、入力電流は増えています。
定格負荷の時と殆ど同じ良好な特性です。
グラフは見やすいように符号を反転していますので、実際には−の電圧です。
こちらの特性も定格負荷のときと殆ど同じです。
効率は使用範囲で７０％程度です。
定格負荷の時との差は計測誤差程度です。
負荷が軽くなった時、出力電圧が上昇しないか心配になります。
負荷を解放して出力電圧を測定してみましたが全く問題有りません。
負荷解放でも電圧は安定しています。
こちらも問題ありません。
写真は入力電圧２．４１Ｖ、定格負荷のときの２ＳＫ２４９３のドレイン電圧です。
入力電圧の約２倍の電圧に、８Ｖ程度のスパイク電圧が乗っています。
ツェナーダイオードでスパイクを押さえているので８Ｖ程度で済んでいますが、対策しなければ１０数Ｖになります。
もう少しツェナー電圧を下げれば、スパイクが、さらに小さくなりそうですが、電源電圧が上がった時、導通してしまうので、
あまり下げられません。
実は３Ｖ以上で若干、効率が下がっているのはツェナー電圧が低すぎて、ＦＥＴオフ時に電流が流れ始め、損失が発生
している為と推測しました。
デューティーが絶えず変化しているので波形が乱れていますが、写真のＬレベルの区間でＦＥＴがオンしています。
写真は入力電圧２．４１Ｖ定格負荷の時の＋側出力端子のノイズ波形です。
０．１ＶＰ−Ｐ程度あるので、アナログ回路の電源としてはもう１段ＬＣフィルターが必要と思われます。
周波数が固定ですのでＨＴ７７５０Ａ等よりは対策しやすいと思います。
ノイズは実装の仕方でも変わってくるので、しっかりしたプリント基板を作れば条件は良くなると思います。
逆にブレッドボード等では悲惨な結果になるかもしれません。
試作回路はユニバーサル基板で、条件は良くはないのですが、グランドラインは１ｍｍのスズメッキ線を使っています。
とにかく、しっかり作ることです。
回路中でＣＰＵの電源にＬＣフィルタが入っていますが、これは必須で、無い場合、ノイズで誤動作します。