第1章 スイッチング電源の基礎
1.1 はじめに
1.2 降圧コンバータ回路
1.3 降圧コンバータの基本動作
1.4 降圧コンバータの制御
1.5 降圧コンバータの回路部品の役割
1.5.1 入力コンデンサCi
1.5.2 トランジスタQ
1.5.3 ダイオードD
1.5.4 チョークコイルL
1.5.5 出力コンデンサCo
1.6 コンバータ回路における特性の注意点
1.6.1 トランジスタの動作時間遅れ
1.6.2 ダイオードのリバース・リカバリ電流
1.7 本書で使用する回路記号
1.8 回路解析のポイント
1.9 第1章のまとめ
第2章 ディジタル電源とは
2.1 はじめに
2.2 本書におけるディジタル電源の範囲
2.3 アナログ電源とディジタル電源の相違
2.3.1 アナログ電源とディジタル電源におけるパワー回路の相違
2.3.2 アナログ電源とディジタル電源における制御回路の相違
2.3.3 アナログ演算回路とディジタル演算の相違
2.3.4 アナログ電源とディジタル電源における制御方式の比較
2.3.5 アナログ制御とディジタル制御の違いを整理する
2.4 アナログ制御とディジタル制御の違いを実験で確かめる
2.4.1 比較実験のパワー回路
2.4.2 ディジタル制御回路
2.4.3 アナログ制御回路
2.4.4 入力電圧変動に対する応答特性実験
2.4.5 負荷変動に対する応答特性試験
2.4.6 アナログ制御とディジタル制御の比較実験のまとめ
2.5 ディジタル化のメリットとデメリット
2.5.1 ディジタル電源のメリット
2.5.1.1 マイコンを使用することによるメリット
2.5.1.2 ソフトウエア制御にすることによるメリット
2.5.1.3 生産性に関するメリット
2.5.2 ディジタル電源のデメリット
2.5.2.1 回路的なデメリット
2.5.2.2 ソフトウエア制御に対するデメリット
2.6 まとめ
第3章 ディジタル電源に要求されるマイコン性能
3.1 はじめに
3.2 ディジタル電源に必要なマイコンの周辺機能
3.2.1 マイコンの基本構造
3.2.2 AD変換器の機能と性能
3.2.3 PWMの機能と性能
3.2.4 アナログ・コンパレータ
3.4 各種直流電源回路とPWMパルスの関係
3.4.1 最も基本となる非絶縁型降圧・昇圧コンバータ
3.4.1.1 トランジスタとダイオードを使用した降圧・昇圧コンバータ
3.4.1.2 MOSFETを2個使用した同期整流型降圧・昇圧コンバータ回路
3.4.2 マルチフェーズ多重コンバータ
3.4.3 位相シフトフルブリッジコンバータ
3.4.4 ハーフブリッジコンバータとプッシュプルコンバータ
3.4.4.1 ハーフブリッジコンバータ
3.4.4.2 プッシュプルコンバータ
3.5 各種交流電源回路とPWMパルスの関係
3.5.1 PFC回路
3.5.1.1 1石式PFC回路
3.5.1.2 2石式PFC
3.5.2 DC-ACインバータ回路
3.6 スイッチング電源に使用できる代表的なマイコン
3.6.1 マイクロチップのdsPICマイコン
3.6.2 TI社のPiccoloマイコン
3.6.3 ルネサス・エレクトロニクスのRXマイコン
3.7 まとめ
第4章 降圧コンバータの回路設計法
4.1 はじめに
4.2 降圧コンバータの解析
4.2.1 降圧コンバータ回路
4.2.2 降圧コンバータの回路方程式
4.2.3 降圧コンバータの各部の電圧と電流
4.2.4 降圧コンバータにおける入力電圧と出力電圧と時比率の関係
4.2.5 チョークコイルのインダクタンスとリプル電流の算出
4.3 降圧コンバータ各部の電流
4.3.1 出力コンデンサの電流
4.3.2 チョークコイル電流とトランジスタ電流とダイオード電流
4.3.3 入力コンデンサを流れる電流
4.4 各部の実効電流の算出
4.4.1 出力コンデンサのリプル電流
4.4.2 チョークコイルの実効電流
4.4.3 トランジスタの実効電流
4.4.4 ダイオードの実効電流
4.4.5 入力コンデンサのリプル電流
4.5 出力コンデンサのリプル電圧
4.5.1 内部インピーダンスによるリプル電圧
4.5.2 出力コンデンサの充放電電流によるリプル電圧の算出
4.5.3 コンデンサの種類とリプル電圧の関係
4.6 トランジスタとダイオードの最大印可電圧とピーク電流
4.7 設計式のまとめ
4.8 まとめ
第5章 昇圧コンバータの回路設計法
5.1 はじめに
5.2 昇圧コンバータと降圧コンバータの関係
5.2.1 昇圧コンバータの回路
5.2.2 昇圧コンバータと降圧コンバータの回路比較
5.3 昇圧コンバータの解析
5.3.1 昇圧コンバータの回路方程式
5.3.2 昇圧コンバータの各部の電圧・電流
5.3.3 昇圧コンバータにおける入力電圧と出力電圧と時比率の関係
5.3.4 チョークコイルのインダクタンスとリプル電流の関係
5.4 昇圧コンバータ各部の電流
5.4.1 入力コンデンサの電流
5.4.2 チョークコイル電流とトランジスタ電流とダイオード電流
5.4.3 出力コンデンサの電流
5.5 各部の実効電流
5.5.1 入力コンデンサのリプル電流
5.5.2 チョークコイルの実効電流
5.5.3 トランジスタの実効電流
5.5.4 ダイオードの実効電流
5.5.5 出力コンデンサのリプル電流
5.6 出力コンデンサのリプル電圧
5.6.1 内部インピーダンスによるリプル電圧
5.6.2 コンデンサの充放電によるリプル電圧
5.7 トランジスタとダイオードの最大印可電圧とピーク電流
5.8 昇圧コンバータの設計式のまとめ
5.9 昇圧コンバータと降圧コンバータの設計式の比較
5.10 まとめ
第6章 コンバータ回路の具体的な設計手法と変換効率計算
6.1 はじめに
6.2 コンバータの設計手順
6.2.1 降圧コンバータの設計手順
6.2.2 昇圧コンバータの設計手順
6.2.3 部品の定格の決定
6.2.4 使用部品の選定方法
6.2.4.1 半導体
6.2.4.2 コンデンサ
6.2.4.3 チョークコイル
6.3 コンバータの電力損失計算による設計検証
6.3.1 トランジスタの電力損失
6.3.1.1 トランジスタのターンON損失
6.3.1.2 トランジスタのON損失
6.3.1.3 トランジスタのターンOFF損失
6.3.2 ダイオードの損失
6.3.3 チョークコイルの損失
6.3.3.1 チョークコイルのコア損失
6.3.3.2 巻線損失
6.3.4 電源全体の損失と変換効率
6.4 まとめ
第7章 マイコンとパワー回路との接続回路の設計法
7.1 はじめに
7.2 補助電源回路
7.3 トランジスタの駆動回路
7.3.1 駆動回路実装の注意点
7.3.2 専用駆動IC
7.3.3 ホトカプラ
7.3.4 絶縁された専用駆動IC
7.3.5 安価なディスクリートトランジスタを使用した駆動回路
7.3.6 ゲート駆動抵抗
7.4 検出回路
7.4.1 電圧検出回路
7.4.1.1 非絶縁型電圧検出回路
7.4.1.2 絶縁型電圧検出回路
7.4.2 電流検出回路
7.4.2.1 抵抗を用いた電流検出
7.4.2.2 電流センサを使用した電流検出
7.5 まとめ
第8章 電源に特化したフィードバッグ制御理論
8.1 はじめに
8.2 フィードバッグ制御理論
8.2.1 フィードバック制御の考え方
8.2.2 フィードバック制御理論
8.2.3 コントローラの伝達関数の検討
8.2.3.1 アナログ演算回路の伝達関数の求め方
8.2.3.2 PI演算回路
8.2.3.3 PID演算回路
8.3 閉ループ伝達関数
8.3.1 演算回路の伝達関数とボード線図
8.3.1.1 PI演算回路の伝達関数
8.3.1.2 PID演算回路の伝達関数
8.3.2 PWMの伝達関数
8.3.3 降圧コンバータの伝達関数
8.3.3.1 時比率対出力の関係
8.3.3.2 入力電圧対出力電圧の伝達関数
8.3.3.3 入力電圧対チョークコイル電流の伝達関数
8.3.3.4 出力電圧と出力電流制御の閉ループ
8.4 アナログ演算とディジタル演算
8.4.1 実際に使われるアナログ演算回路
8.4.2 アナログ演算の解析とディジタル演算
8.4.2.1 定電圧制御回路
8.4.2.2 定電流演算回路
8.4.2.3 ディジタル演算
第9章 ディジタル化の手法
9.1 はじめに
9.2 ディジタル化の手順
9.3 各種演算回路の伝達関数の導出とボード線図の作成
9.3.1 PI変形演算回路の伝達関数の導出とボード線図の作成
9.3.1.1 PI変形演算回路の伝達関数の導出
9.3.1.2 ボード線図の作成
9.3.2 PID変形演算回路1の伝達関数の導出とボード線図の作成
9.3.2.1 PID変形演算回路1の伝達関数の導出
9.3.2.2 PID変形演算回路1のボード線図の作成
9.3.3 PID変形演算回路2の伝達関数の導出とボード線図の作成
9.3.3.1 PID変形演算回路2の伝達関数の導出
9.3.3.2 PID変形演算回路2のボード線図の作成
9.3.4 演算回路と伝達関数の関係の整理
9.3.5 アナログ伝達関数からボード線図を作成のための手計算方法
9.4 離散化伝達関数の導出
9.4.1 離散化伝達関数への変換方法
9.4.2 純粋なPI演算の離散化
9.4.3 PI変形演算回路1の伝達関数の離散化
9.4.4 純粋なPID演算の離散化
9.4.5 PID変形演算回路1の離散化
9.4.6 PID変形演算回路2の離散化
9.4.7 ディジタル伝達関数からボード線図を作成するための手計算法
9.5 差分方程式の導出
9.5.1 PI演算の差分方程式の導出
9.5.2 PID演算の差分方程式
9.5.3 他のディジタル演算の差分方程式の導出
9.6 差分方程式の演算プログラム化
9.6.1 演算プログラムの作成の注意点
9.6.2 プログラムフローチャート
9.7 まとめ
第10章 安定化ディジタルコントローラの設計法
10.1 はじめに
10.2 マイコンの内部動作を含めたフィードバック制御
10.2.1 フィードバック制御
10.2.2 マイコン内部の機能の式化
10.3 一巡伝達関数による安定化の検討
10.3.1 一巡伝達関数
10.3.2 一巡伝達関数による安定・不安定判別
10.3.3 パワー回路の特性が安定性に及ぼす影響
10.3.4 制御器とパワー回路の関係
10.3.4.1 パワー回路の内部インピーダンスと出力コンデンサのESRの値が共に大きいときの安定性
10.3.4.2 パワー回路の内部インピーダンスが大きく出力コンデンサのESRが小さいときの安定性
10.3.4.3 パワー回路の内部インピーダンスと出力コンデンサのESRの値が共に小さいときの安定性
10.3.4.4 パワー回路の内部インピーダンスと出力コンデンサのESRの値が小さいときに適用可能な制御器
10.4 負荷急変に対する過渡変動の改善
10.5 簡易的なボード線図の作成
10.5.1 制御器の骨格ボード線図の作成
10.5.1.1 PI演算のボード線図
10.5.1.2 PI演算1のボード線図
10.5.1.3 PID演算の骨格ボード線図
10.5.1.4 PID演算1の骨格ボード線図
10.5.1.5 PID演算2の骨格ボード線図
10.5.2 パワー回路のボード線図
10.6 骨格ボード線図を使用した安定化制御器の設計
10.7 まとめ
第11章 ディジタル電源固有な問題と対処法
11.1 はじめに
11.2 ノイズに起因する問題と対処法
11.3 リプル電圧・リプル電流の問題と対処法
11.3.1 リプル電圧の問題と対処法
11.3.2 リプル電流の問題と対処法
11.4 制御遅れの対処法
11.5 定電流の安定性が改善できる回路と制御法の例
11.5.1 定電流の安定性が改善できる回路例
第12章 ディジタル電源の設計事例
