スイッチング電源 低電圧出力について

質問

携帯電話充電器の定電圧制御IC部分をマイコンを使って制御しようと思っています。
電気回路初心者で、分からない部分があったので質問させていただきます。
説明の段階で間違っている可能性もあるので、その場合は指摘してもらえると嬉しいです。

現状の説明をします。

まず、オリジナルの状態（定電圧制御ICを使っている状態）での出力部分の回路がこれです。
http://upload.fam.cx/cgi-bin/img-box/28180731231307.jpg

このICを取り外してコンパレータをマイコンで実現してます。
その回路がこのようになってます。
http://upload.fam.cx/cgi-bin/img-box/1rm80731231339.jpg

動きを説明すると、

１．(1)の電圧をAD変換し、マイコンに取り込む
２．取り込んだ値に応じたPWM出力（フォトカプラのLEDのON/OFF）
http://upload.fam.cx/cgi-bin/img-box/zrq80731231354.jpg

※PC-LEDがON状態のとき
i1に電流が流れ、その分i2の電流が減る
ゆえに(1)の電圧が下がる

※PC-LEDがOFF状態のとき
i1に電流は流れず、その分i2に電流が流れる
ゆえに(1)の電圧が上がる

３．その結果DCOUTに5.1V前後（リップル100mV）の出力が出る

といった感じになってます。

無負荷のときは5.1Vの低電圧が保たれているのですが、負荷をとってみたところ負荷電流が流れれば流れるほど、出力電圧が下がってしまいました。
充電器の仕様が2Aなのですが、そのとき4.3Vくらいまで落ちてしまっています。
1Aくらいまではほとんど落ちないのですが1A⇒2Aにかけて急激に電圧が落ちてしまっています。

なんとなく自分で考えてみたのですが、あまり自信がありません。
自分の考えを書いてみます。

負荷電流が大きくなるにつれ、そのぶんi1,i2の電流は減る。
(1)の電流が下がり、ゆえにDCOUTが減る

つまり負荷電流が流れるときはPC-LEDのOFF時間をもっと長くなるようなパルス信号に変える必要がある。

以上が自分の考えです。

長くなりましたが、聞きたいことをまとめます。

(1)負荷電流をかけたときに出力電圧が下がってしまった原因はなにか？
(2)負荷電流に関わらずに、定電圧を得るにはどうしたらよいか？

です。

説明が下手でわかりづらいかもしれませんが、アドバイスもらえたら幸いです。
よろしくお願いします。

回答No.1

tance · ベストアンサー

ちょっと誤解されているかも。
まず、フォトカプラの役目ですが、この回路に描かれていない制御素子
のコントロールが役目です。決してi1が増えた分i2が減るのでは
ありません。

フォトカプラのLEDが明るく点くと制御素子が出力を絞ります。その結果
出力電圧が減少するのであって、i1の電流自体で安定化するのでは
ありません。

もしも、i1の増減が出力電流i3の増減に直結しているのだとすると
出力電流はi1の大きさより大きくできないことになってしまいます。
i1はせいぜい5mAくらいですからアンペアオーダーの出力を制御
することはできません。

実際はフォトカプラLEDの電流をちょっと変えると出力電圧が大きく
変わる回路があるはずです。その回路の制御をマイコンで行うのだと
いう認識で設計することが必須です。

元の回路はLEDをパルスで点けているわけではありません。それを
パルス点灯して良いのでしょうか。PWMにするにはどこかに積分回路
などのLPF要素が必要になるはずです。

また、負帰還なので発振しないようにしなくてはなりません。これには
様々な負荷に対して位相余裕を確保するPIDが必要になります。一般的に
これをマイコンで行うことは面倒です。

フォトカプラを使っているということは、入出力は絶縁タイプなのだと
思います。マイコンの電源はどこからとっていますか？

何のためにマイコンを使うのかわかりませんが、かなり難しいことを
やろうとしているという認識をもってじっくり取り組む必要があります。

お礼

ありがとうございます。
自分の理解が誤っている可能性がありますね。
参考にして考え直してみます。

マイコンの電源は、PCのUSBポートから3端子レギュレータで3.3Vに変圧したものを使っています。

回答No.4

anachrockt

伝達関数は調べてもすぐにはわからないでしょう．
複素関数論，ラプラス変換等の応用数学の基本を習得していれば別ですが．

元の絵はTL431または同等品を使っていると思いますが，マイコン使うんなら，
基準電圧（2.5V）のところを，ローパスフィルタを通して直流にしたマイコンのPWM出力に置き換え，アンプ部分はLM358だと3.3Vでは動かないから，適当なアンプ（例えばこんなの）使います．
http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=971
伝達関数知らないと，発振止めの位相補償がわからないかも知れませんが，先に紹介した資料を参考にしてください．

つまり，マイコンは出力電圧の指令値を出すだけです．
A/Dはモニタにして，制御ループには入れません．
以前，マイコン使った外部制御の0V～500V，0A～1A電源作ったことが有りますが，外部のホストよりRS-232（EIA232)のシリアルで出力電圧をマイコンは受信して設定し，マイコンのA/Dは出力電圧と出力電流をモニタして，ホストへ送信しました．

回答No.3

takepon256

このシャントレギュレータを使った回路は絶縁スイッチング電源の二次側ではないでしょうか？
おそらくは前段にトランスがあるのではないかと推測します。
フォトカプラは一次側へのフィードバックが目的だと思われます。

シャントレギュレータの内部回路も描いてるようですが、コンパレータではなくオペアンプ（アナログ出力）を使用しているとお考えください。
CPUで出力したPWM波形を低電圧にするには、パルス波形をコイルとコンデンサで平滑する必要があります。

お礼

ありがとうございます。
ご指摘のとおり、画像はトランスを使った絶縁スイッチングの２次側出力部分だけを抜き出したものです。

回路の動作原理がまだよく理解できていないようなので、そこから考え直したいと思います。

回答No.2

anachrockt

よくわからないのですが，定電圧制御ループの1巡伝達関数はどうなってます？
これ読んで，検討したらどうでしょうか？
http://focus.ti.com/lit/ml/slup113a/slup113a.pdf

スイッチング電源のマイコン制御については，ここら辺が参考になると思います．
http://focus.tij.co.jp/jp/lit/an/spraab3/spraab3.pdf
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70181A.pdf

お礼

ありがとうございます。
伝達関数がわからないので調べてみます。
参考にしてみます。