単電源入力, 正負両電源出力のDCDCコンバータを自作しようかと考えて
絶縁型フライバックコンバータ回路設計：トランス設計（数値算出）
リンクの記事を参考にして設計を始める。
使う部品の少ない自励型DCDCコンバータを適当に設計してみた。
仕様
入力電圧 V i n : 4.5 ～ 5.0 V V_{in} : 4.5 \text{～} 5.0 \mathrm{V} V i n : 4 . 5 ～ 5 . 0 V
出力電圧 V o u t : ± 15 V V_{out} : \pm 15 \mathrm{V} V o u t : ± 1 5 V
出力電流 I o u t : 300 m A I_{out} : 300~\mathrm{mA} I o u t : 3 0 0 m A
出力電力 P o : 30 V × 0.3 A = 9 W P_o : 30\mathrm{V} \times 0.3\mathrm{A} = 9~\mathrm{W} P o : 3 0 V × 0 . 3 A = 9 W
制御電圧 V d : 10 V V_d : 10~\mathrm{V} V d : 1 0 V
ダイオードの順方向電圧 V F : 1.0 V V_F : 1.0~\mathrm{V} V F : 1 . 0 V
周波数 f s w m a x : 40 k H z f_{sw}max : 40~\mathrm{kHz} f s w m a x : 4 0 k H z
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正負電圧出力であることを考えて V O V_O V O
V o = V o u t + V F = ( 15 + 1 ) + ( − 15 − 1 ) = 32 V \begin{aligned}
V_o &= V_{out} + V_F \\
&= (15 + 1) + (-15 - 1) \\
&= 32~\mathrm{V}
\end{aligned} V o = V o u t + V F = ( 1 5 + 1 ) + ( − 1 5 − 1 ) = 3 2 V として
今回は V O R = 4 VOR = 4 V O R = 4
N p N s = V O R V o = 4 32 = 0.125 \begin{aligned}
\frac{N_p}{N_s} &= \frac{VOR}{V_o} \\\\
&= \frac{4}{32} \\\\
&= 0.125 \\\\
\end{aligned} N s N p = V o V O R = 3 2 4 = 0 . 1 2 5 D u t y ( m a x ) = V O R V i n ( m i n ) + V O R = 4 4.5 + 4 = 0.47 \begin{aligned}
Duty(max) &= \frac{VOR}{V_{in}(min) + VOR} \\\\
&= \frac{4}{4.5+4} \\\\
&= 0.47
\end{aligned} D u t y ( m a x ) = V i n ( m i n ) + V O R V O R = 4 . 5 + 4 4 = 0 . 4 7 となる。
最大負荷電流 I o m a x I_{o}max I o m a x
I o m a x = 1.2 × I o u t = 1.2 × 0.3 = 0.36 A \begin{aligned}
I_{o}max &= 1.2 \times I_{out} \\
&= 1.2 \times 0.3 \\
&= 0.36 ~\mathrm{A}
\end{aligned} I o m a x = 1 . 2 × I o u t = 1 . 2 × 0 . 3 = 0 . 3 6 A L s < ( V o u t + V F ) × ( 1 − D u t y ) 2 2 × I o m a x × f s w m a x = 32 × ( 1 − 0.47 ) 2 2 × 0.36 × 40 × 1 0 3 = 312 μ H \begin{aligned}
L_s &< \frac{ (V_{out} + V_F) \times (1- Duty)^2 }{2 \times I_{o}max \times f_{sw}max} \\\\
&= \frac{32 \times (1 - 0.47)^2}{ 2 \times 0.36 \times 40 \times 10^3} \\\\
&= 312 ~\mathrm{\mu H}
\end{aligned} L s < 2 × I o m a x × f s w m a x ( V o u t + V F ) × ( 1 − D u t y ) 2 = 2 × 0 . 3 6 × 4 0 × 1 0 3 3 2 × ( 1 − 0 . 4 7 ) 2 = 3 1 2 μ H I s p k = 2 × I o m a x 1 − D u t y ( m a x ) = 2 × 0.36 1 − 0.47 = 1.36 A \begin{aligned}
I_{s}pk &= \frac{ 2 \times I_{o}max }{ 1 - Duty(max) } \\\\
&= \frac{ 2 \times 0.36 }{ 1 - 0.47 } \\\\
&= 1.36 ~\mathrm{A}
\end{aligned} I s p k = 1 − D u t y ( m a x ) 2 × I o m a x = 1 − 0 . 4 7 2 × 0 . 3 6 = 1 . 3 6 A L p = L s × ( N p N s ) 2 = 312 μ H × 0.12 5 2 = 4.88 μ H \begin{aligned}
L_p &= L_s \times \left( \frac{N_p}{N_s} \right)^2 \\\\
&= 312 ~\mathrm{\mu H} \times 0.125^2 \\\\
&= 4.88 ~\mathrm{\mu H}
\end{aligned} L p = L s × ( N s N p ) 2 = 3 1 2 μ H × 0 . 1 2 5 2 = 4 . 8 8 μ H I p p k = I s p k × N s N p = 1.36 × 1 0.125 = 10.88 A \begin{aligned}
I_{p}pk &= I_{s}pk \times \frac{N_s}{N_p} \\\\
&= 1.36 \times \frac{1}{0.125} \\\\
&= 10.88 ~\mathrm{A}
\end{aligned} I p p k = I s p k × N p N s = 1 . 3 6 × 0 . 1 2 5 1 = 1 0 . 8 8 A 出力電力 P o P_o P o TDK PC44PQ20/16コア を使うことにする。
TDKプロダクトセンター より以下の資料を入手する。
PC44材の資料が見つからないのでPC47材の資料を参考にする。
出典: 「Mn-Zn系フェライト材質特性」 データーシート
PC47材 性能諸元
飽和磁束密度 B s a t = 420 mT @ 100 ∘ C B_{sat} = 420~\textrm{mT} @ 100{^\circ\mathrm{C}} B s a t = 4 2 0 mT @ 1 0 0 ∘ C
出典: 「Mn-Zn系 スイッチング電源用フェライトコア PQシリーズ」データーシート
PC47PQ20/16Z 性能諸元
実効断面積 A e = 62 m m 2 A_e = 62 ~\mathrm{mm^2} A e = 6 2 m m 2
AL値(ギャップ付) A L value = 100 n H / N 2 AL_\text{value} = 100 ~\mathrm{nH / N^2} A L value = 1 0 0 n H / N 2
資料にあるPC47材と使うPC44材との相違と余裕を見込んで飽和磁束密度B s a t = 0.35 T B_{sat} = 0.35~\mathrm{T} B s a t = 0 . 3 5 T
N p > V i n × T o n A e × B s a t = L p × I p p k A e × B s a t = 4.88 μ H × 10.88 A 64 m m 2 × 0.35 T = 4.88 × 1 0 − 6 × 10.88 64 × 1 0 − 6 × 0.35 = 4.88 × 10.88 64 × 0.35 = 2.37 t u r n s ⇒ N p は3ターン以上 \begin{aligned}
N_p &> \frac{V_{in} \times T_{on}}{A_e \times B_{sat}} = \frac{L_p \times I_{p}pk}{A_e \times B_{sat}} \\\\
&= \frac{4.88 \mathrm{\mu H} \times 10.88 \mathrm{A}}{64 \mathrm{mm^2} \times 0.35 \mathrm{T}} \\\\
&= \frac{4.88 \times \cancel{10^{-6}} \times 10.88}{64 \times \cancel{10^{-6}} \times 0.35} \\\\
&= \frac{4.88 \times 10.88}{64 \times 0.35} \\\\
&= 2.37 ~\mathrm{turns} \\\\
&\Rightarrow {N_p\text{は3ターン以上}}
\end{aligned} N p > A e × B s a t V i n × T o n = A e × B s a t L p × I p p k = 6 4 m m 2 × 0 . 3 5 T 4 . 8 8 μ H × 1 0 . 8 8 A = 6 4 × 1 0 − 6 × 0 . 3 5 4 . 8 8 × 1 0 − 6 × 1 0 . 8 8 = 6 4 × 0 . 3 5 4 . 8 8 × 1 0 . 8 8 = 2 . 3 7 t u r n s ⇒ N p は 3 ターン以上 A L value = 100 n H / t u r n s 2 AL_\text{value} = 100~\mathrm{nH / turns^2} A L value = 1 0 0 n H / t u r n s 2
N p = L p A L value = 4.88 μ H 100 n H / t u r n s 2 = 4.88 μ H 0.1 μ H / t u r n s 2 = 6.98 t u r n s ⇒ N p は7ターン \begin{aligned}
N_p &= \sqrt{\frac{L_p}{AL_\text{value}}} \\\\
&= \sqrt{\frac{4.88 ~\mathrm{\mu H}}{100 ~\mathrm{nH / turns^2}}} \\\\
&= \sqrt{\frac{4.88 ~\mathrm{\mu H}}{0.1 ~\mathrm{\mu H / turns^2}}} \\\\
&= 6.98 ~\mathrm{turns} \\\\
&\Rightarrow {N_p\text{は7ターン}}
\end{aligned} N p = A L value L p = 1 0 0 n H / t u r n s 2 4 . 8 8 μ H = 0 . 1 μ H / t u r n s 2 4 . 8 8 μ H = 6 . 9 8 t u r n s ⇒ N p は 7 ターン L p = 4.88 μ H = 4880 n H N p = 7 t u r n s A L value = 4880 / 7 2 = 99.59 n H / t u r n s 2 N I = N p × I p p k = 7 t u r n s × 10.88 A = 76.2 A ⋅ t u r n s \begin{aligned}
L_p &= 4.88 ~ \mathrm{\mu H} = 4880 ~ \mathrm{nH}\\
N_p &= 7 ~ \mathrm{turns} \\
AL_\text{value} &= 4880 / 7^2 = 99.59 ~ \mathrm{nH / turns^2} \\
NI &= N_p \times I_ppk \\
&= 7~\mathrm{turns} \times 10.88~\mathrm{A} \\
&= 76.2~\mathrm{A \cdot turns}
\end{aligned} L p N p A L value N I = 4 . 8 8 μ H = 4 8 8 0 n H = 7 t u r n s = 4 8 8 0 / 7 2 = 9 9 . 5 9 n H / t u r n s 2 = N p × I p p k = 7 t u r n s × 1 0 . 8 8 A = 7 6 . 2 A ⋅ t u r n s
余裕。あるじゃないですか。
もうちょっと攻めた設計で A L value = 300 n H / t u r n s 2 AL_\text{value} = 300~\mathrm{nH / turns^2} A L value = 3 0 0 n H / t u r n s 2
N p = L p A L value = 4.88 μ H 0.3 μ H / t u r n s 2 = 4.03 t u r n s ⇒ N p は4ターン \begin{aligned}
N_p &= \sqrt{\frac{L_p}{AL_\text{value}}} \\\\
&= \sqrt{\frac{4.88 ~\mathrm{\mu H}}{0.3 ~\mathrm{\mu H / turns^2}}} \\\\
&= 4.03 ~\mathrm{turns} \\\\
&\Rightarrow {N_p\text{は4ターン}}
\end{aligned} N p = A L value L p = 0 . 3 μ H / t u r n s 2 4 . 8 8 μ H = 4 . 0 3 t u r n s ⇒ N p は 4 ターン L p = 4.88 μ H = 4880 n H N p = 4 t u r n s A L value = 4880 / 4 2 = 305 n H / t u r n s 2 N I = N p × I p p k = 4 t u r n s × 10.88 A = 43.52 A ⋅ t u r n s \begin{aligned}
L_p &= 4.88 ~ \mathrm{\mu H} = 4880 ~ \mathrm{nH}\\
N_p &= 4 ~ \mathrm{turns} \\
AL_\text{value} &= 4880 / 4^2 = 305 ~ \mathrm{nH / turns^2} \\
NI &= N_p \times I_ppk \\
&= 4 ~\mathrm{turns} \times 10.88~\mathrm{A} \\
&= 43.52 ~\mathrm{A \cdot turns}
\end{aligned} L p N p A L value N I = 4 . 8 8 μ H = 4 8 8 0 n H = 4 t u r n s = 4 8 8 0 / 4 2 = 3 0 5 n H / t u r n s 2 = N p × I p p k = 4 t u r n s × 1 0 . 8 8 A = 4 3 . 5 2 A ⋅ t u r n s
もっと頑張れそうだが、PC44材の代わりにPC47材の資料を見ているのでもうこれでいいことにする。
最初に決めた値である N p N s = 0.125 \frac{N_p}{N_s} = 0.125 N s N p = 0 . 1 2 5
N s = N p 0.125 = 4 0.125 = 32 t u r n s \begin{aligned}
N_s &= \frac{N_p}{0.125} \\\\
&= \frac{4}{0.125} \\\\
&= 32 ~\mathrm{turns} \\\\
\end{aligned} N s = 0 . 1 2 5 N p = 0 . 1 2 5 4 = 3 2 t u r n s N s N_s N s
これは大雑把に V C C + V F V C C = 10 V V_{CC} + V_{FVCC} = 10 ~\mathrm{V} V C C + V F V C C = 1 0 V
N d = N s × V C C + V F V C C V o u t + V F = 32 × 10 32 = 10 t u r n s \begin{aligned}
N_d &= N_s \times \frac{V_{CC} + V_{FVCC}}{V_{out} + V_F} \\\\
&= 32 \times \frac{10}{32} \\\\
&= 10 ~\mathrm{turns}
\end{aligned} N d = N s × V o u t + V F V C C + V F V C C = 3 2 × 3 2 1 0 = 1 0 t u r n s A L value = 305 n H / t u r n s 2 AL_\text{value} = 305 ~ \mathrm{nH / turns^2} A L value = 3 0 5 n H / t u r n s 2 2 )とエアギャップ長(Typ.)の交差点から下に線を引いて
ギャップ長 ℓ g = 0.2 ～ 0.3 mm (Center pole gap) \ell_g = 0.2 \text{～} 0.3 ~\textrm{mm} ~ \text{(Center pole gap)} ℓ g = 0 . 2 ～ 0 . 3 mm (Center pole gap)
計算で求めると(真空の透磁率μ 0 = 4 π × 1 0 − 7 \mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7} μ 0 = 4 π × 1 0 − 7
ℓ g = μ 0 × A e × N p 2 L = 4 π × 1 0 − 7 × 62 × 1 0 − 6 × 4 2 4.88 × 1 0 − 6 = 4 π × 62 × 4 2 4.88 × 1 0 − 7 × 1 0 − 6 1 0 − 6 = 4 π × 62 × 4 2 4.88 × 1 0 − 7 × 1 0 − 6 1 0 − 6 = π × 62 × 4 × 4 1.22 × 1 0 − 7 = 992 1.22 π × 1 0 − 4 × 1 0 − 3 = 992 1.22 π × 1 10000 × 1 0 − 3 = 992 12200 π × 1 0 − 3 = 0.255 × 1 0 − 3 m = 0.26 m m (Center pole gap) \begin{aligned}
\ell_g &= \frac{\mu_0 \times A_e \times N_p ~ ^2}{L} \\\\
&= \frac{4 \pi \times 10^{-7} \times 62 \times 10^{-6} \times 4^2}{4.88 \times 10^{-6}} \\\\
&= \frac{4 \pi \times 62 \times 4^2}{4.88} \times \frac{10^{-7} \times 10^{-6}}{10^{-6}} \\\\
&= \frac{\cancel{4} \pi \times 62 \times 4^2}{\cancel{4.88}} \times \frac{10^{-7} \times \cancel{10^{-6}}}{\cancel{10^{-6}}} \\\\
&= \frac{\pi \times 62 \times 4 \times 4}{1.22} \times 10^{-7} \\\\
&= \frac{992}{1.22} \pi \times 10^{-4} \times 10^{-3}\\\\
&= \frac{992}{1.22} \pi \times \frac{1}{10000} \times 10^{-3}\\\\
&= \frac{992}{12200} \pi \times 10^{-3}\\\\
&= 0.255 \times 10^{-3} ~\mathrm{m} \\\\
&= 0.26 ~\mathrm{mm} ~ \text{(Center pole gap)}
\end{aligned} ℓ g = L μ 0 × A e × N p 2 = 4 . 8 8 × 1 0 − 6 4 π × 1 0 − 7 × 6 2 × 1 0 − 6 × 4 2 = 4 . 8 8 4 π × 6 2 × 4 2 × 1 0 − 6 1 0 − 7 × 1 0 − 6 = 4 . 8 8 4 π × 6 2 × 4 2 × 1 0 − 6 1 0 − 7 × 1 0 − 6 = 1 . 2 2 π × 6 2 × 4 × 4 × 1 0 − 7 = 1 . 2 2 9 9 2 π × 1 0 − 4 × 1 0 − 3 = 1 . 2 2 9 9 2 π × 1 0 0 0 0 1 × 1 0 − 3 = 1 2 2 0 0 9 9 2 π × 1 0 − 3 = 0 . 2 5 5 × 1 0 − 3 m = 0 . 2 6 m m (Center pole gap) 続いて 絶縁型フライバックコンバータ回路設計：トランス設計（構造設計）－その1 ｜ 電源設計の技術情報サイトのTechWeb
にそって進める。
設計値の整理
一次側巻線数 N p = 4 t u r n s N_p = 4 ~\mathrm{turns} N p = 4 t u r n s
二次側巻線数 N s = 16 t u r n s , 16 t u r n s N_s = 16 ~\mathrm{turns}, 16 ~\mathrm{turns} N s = 1 6 t u r n s , 1 6 t u r n s
VCC巻線数 N d = 10 t u r n s N_d = 10 ~\mathrm{turns} N d = 1 0 t u r n s
トランスコア PC44PQ20/16
ギャップ長 ℓ g = 0.26 m m \ell_g = 0.26 ~\mathrm{mm} ℓ g = 0 . 2 6 m m
ギャップ長 ℓ g = 0.13 m m \ell_g = 0.13 ~\mathrm{mm} ℓ g = 0 . 1 3 m m
コアと同じく特に気にせずにCPV-PQ20/16 を使うことにする。
出典: CPV-PQ20/16-1S-14P-Z Drawing
巻き幅 7.82mm
巻き高さ (17.22mm - 10.80mm) / 2 = 3.21mm
「シンプルな構成」を選ぶ。
5V, 15V, 10Vと電圧が低いので省略する。
続いて 絶縁型フライバックコンバータ回路設計：トランス設計（構造設計）－その2 ｜ 電源設計の技術情報サイトのTechWeb
にそって進める。
計算せず適当に
一次側 N p N_p N p
二次側 N s N_s N s
VCC N d N_d N d
と決める。
適当に内側から
Coil Turns Wire Np 4 2UEW 0.26 × 7 Ns1 16 2UEW 0.32 Ns2 16 2UEW 0.32 Nd 10 2UEW 0.32
注意 : あくまで実験です。
フェライトコアにポリイミドテープ１枚貼って8.25mm - 8.10mm = 0.15mm (スペーサーギャップ)
ch1(黄色): MOSFETのゲート電圧
ch2(緑色): 40 m Ω 40 ~\mathrm{m \Omega} 4 0 m Ω
自励型DCDCコンバータの発振周波数は61.767kHz, 二次側に正負15V出力を確認した。
40 m Ω 40 ~\mathrm{m \Omega} 4 0 m Ω 1.81 V 1.81 ~\mathrm{V} 1 . 8 1 V I I I
I = V R = 1810 m V 40 m Ω = 45.25 A \begin{aligned}
I &= \frac{V}{R} \\\\
&= \frac{1810 ~\mathrm{mV}}{40 ~\mathrm{m\Omega}} \\\\
&= 45.25 ~\mathrm{A}
\end{aligned} I = R V = 4 0 m Ω 1 8 1 0 m V = 4 5 . 2 5 A ピーク電流だけどなかなか流れているな。
出典: 「Mn-Zn系フェライト材質特性」 データーシート
出典: 「Mn-Zn系 スイッチング電源用フェライトコア PQシリーズ」データーシート
出典: CPV-PQ20/16-1S-14P-Z Drawing
