チャージポンプ電圧マルチプライヤー計算ツール
スイッチトキャパシタ電圧マルチプライヤ回路のディクソンチャージポンプ出力電圧、負荷電圧、出力リップル、および効率の計算
公式
仕組み
チャージポンプ電圧カリキュレータは、ゲートドライバ、RS-232インタフェース、フラッシュメモリプログラミング、および低電力ブーストアプリケーションに不可欠な容量性DC-DC変換の出力電圧、電流容量、および効率を決定します。アナログIC設計者、ポータブル・デバイス・エンジニア、ミックスド・シグナル開発者は、このツールを使用して、磁気部品なしで電圧の乗算を実現しています。TIのアプリケーションノートSLVA517によると、チャージポンプは、ある相ではフライングコンデンサをVinに充電し、第2相ではそれをVinと直列に積み重ねることによってエネルギーを伝達します。理想的には、N×乗算器のVout = N × Vinを生成します。チャージポンプのトポロジーは、エリクソンとマクシモビッチの「パワーエレクトロニクスの基礎」（第3版）で詳細に分析されています。第5章 (不連続伝導モード) およびアナログ・デバイセズの「リニア回路設計ハンドブック」(2008) 第4章スイッチ抵抗とコンデンサのESRによる実際の出力電圧降下:Vout = N×Vin-Iout× (N×Rsw + N²×ESR/fsw). マキシム・インテグレーテッドのアプリケーションノートAN-725によると、非安定化チャージポンプは最適な負荷で80～ 90% の効率を達成し、軽負荷では50～ 60% に低下します。安定化チャージポンプ (TI LM2776) は、スイッチング周波数を調整することにより、1～100 mAの負荷範囲で 85% の効率を維持します。最大出力電流はフライング・コンデンサの値に依存します。電圧ダブラーの場合は Iout_max ≈ C × fsw × Vinなので、電流容量を増やすにはより高い容量または周波数が必要になります。
計算例
5 V ロジック電源から MOSFET ゲートを駆動するための電圧ダブラーを設計します。要件:10 V 出力、50 mA ピーク電流、100 mV 未満のリップル。ステップ 1: 乗算の検証 — ダブラー: Vout_ideal = 2 × 5 V = 10 V ステップ 2: フライング・コンデンサの計算 — 200 kHz のスイッチングで Iout = 50 mA の場合:Cfly = Iout/ (fsw × ΔV) = 50m/ (200k × 0.1) = 最小 2.5 µF。4.7 µF X5R セラミックを使用してください。ステップ 3: 電圧降下の推定 — Rsw = 3 Ω (標準的な TI TPS60403): Vdrop = 50m × (2×3 + 2²×10m/200k) = 300 mV) と仮定します。Vout = 10-0.3 = 9.7 V. ステップ 4: 出力コンデンサの選択 — Cout = 出力/ (fsw × ΔVripple) = 50m/ (200k × 0.1) = 2.5 µF。マージンには 10 µF を使用してください。ステップ5: 効率の検証 —無負荷時には η = Vout/ (2×Vin) = 9.7/10 = 97%、50mAでは85～ 90% に低下します。ステップ6: ICの選択 — ソフトスタートとサーマルシャットダウンを内蔵したTI LM2775 (ダブラー、150 mA、95% ピーク効率)。
実践的なヒント
- ✓リニアテクノロジー（現ADI）のアプリケーションノートAN-88によると、ノイズに敏感なアプリケーションには安定化されたチャージポンプを使用してください。安定化されていないポンプは20〜50mVのリップルを生成し、隣接するアナログ回路に結合します
- ✓出力に小さな直列抵抗 (1-10 Ω) ) を追加すると、過渡応答が改善され、出力コンデンサESLと負荷容量間のLC共振が減衰されます。
- ✓負電圧の生成には、反転チャージポンプトポロジー (マキシムのMAX1044) を使用してください。正のダブラーと同じ効率でVout =-Vinを実現
よくある間違い
- ✗電解コンデンサを使用すると、ESRが100-500 mΩ の場合、セラミックの10倍の電圧降下が発生します。チャージポンプの定格性能を得るには、低ESR（5-20 mΩ) 1 X5R/X7R）セラミックが必要です。
- ✗コンデンサのDCバイアスディレーティングを無視すると、9V DCで10µF/10V X5Rで保持される静電容量はわずか20〜30％です。16V定格のコンデンサを使用するか、公称値の3倍大きいコンデンサを使用してください
- ✗出力電流定格を超える—チャージポンプの出力インピーダンスは約1/（fsw × C）です。200kHzで1µFの場合、Zout = 5 Ω, となり、100mAで500mV降下します。
よくある質問
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