なぜスイッチャーはリニアレギュレータよりも効率的ですか？

スイッチングレギュレータがリニアレギュレータよりも効率的であることはよく知られています。また、リニアレギュレータは入力電圧と出力電圧の差に電流を掛けたものを熱として消費する必要があることも知っています。

しかし、これが同じ条件、つまり同じ入力電圧と出力電圧および電流のスイッチングレギュレータに当てはまらないのはなぜですか。

スイッチャーが熱くなることは知っています。ボードが熱くなっているため、ほとんど触れることができませんが、ヒートシンクの付いたスルーホール7805と比べると、両側が2 1/2ミリメートルであり、蟻のように見えます。

線形レギュレータは、ソースと負荷の間に制御された可変抵抗器を効果的に配置することによって機能します。負荷の電流はすべてこの抵抗素子を流れます。そして、その両端の電圧は、電源電圧と負荷電圧の差に等しくなります。したがって、消費される電力は

。$P_{lin} = I_{load}\times{}(V_{src}-V_{load})$

スイッチングレギュレータは、スイッチングサイクルで電流フローのデューティサイクルを変更し、フィルタを使用して出力を平均化することによって機能します。サイクルの一部の間、低電圧降下で高電流が流れます。サイクルの他の部分では、電圧降下が大きい場合、電流はほとんど流れません。これらの条件はどちらも熱として多くの電力を消費しません。理想的には失われた力は

、$P_{sw}= \mathrm{DC}(I_{on})(0\ \mathrm{V}) + (1-\mathrm{DC})(0\ \mathrm{A})(V_{off})$

これはもちろん、0 Wです。通常、現実世界の非効率性の多くは、サイクルの「オン」と「オフ」の部分が非常に短い時間で切り替わるときに電力が失われることが原因です。

通常、スイッチングレギュレータの方が効率的ですが、常にそうとは限りません。

理想的なリニアレギュレータには電圧降下があり、抵抗器のように機能するトランジスタなどの線形パス要素があるため、理想的な場合の電力損失はP =$V_{IN} - V_{OUT}$$I \cdot (V_{IN} - V_{OUT})$、 あなたが言うように。それが理想的なケースです。実際には、レギュレーターが動作するために少し電流が必要であり、出力電流に依存するコンポーネントがあるかもしれません。ラテラルPNPパスエレメントに依存する一部のLDOリニアレギュレーターは、ドロップアウトに近い非常に高い消費量を持つ可能性があります-1Aの出力電流に対して100mAが浪費される可能性があります（一部のICプロセスで作成されたPNPトランジスタはかなり不安定な電流ゲインを持つ傾向があるため）。

理想的なスイッチング（バック）レギュレータは次のようになります。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

スイッチがトランジスタの場合、D1はダイオードでも、別のトランジスタでもかまいません。理想的なケースでは、エネルギー損失メカニズムはありません。ダイオードは完全に遮断するか完全に導通し、スイッチは同じように動作し、インダクタにはDC抵抗がなく、コンデンサにはESRがありません。したがって、パワーインとパワーアウトは同じです。もちろん、現実はその理想に近づくことができるだけです。「オーバーヘッド」である損失と、電流の増加に伴って増加する損失があります。

インダクタはこの回路の重要な部分であることに注意してください。これを省略しようとすると、C1の（短期間で）不動の電圧がVinの不動の電圧に対して上昇し、電流が無限になります。実際の回路では、SW1にはある程度の抵抗があり、リニアレギュレータのパストランジスタと同じくらい熱くなります（ただし、大量のEMIが発生する場合を除く）。

スイッチングレギュレータがリニアレギュレータよりも効率的であることはよく知られています。

ポイントに。3.5VをLDO 3.3Vリニアレギュレータに入れると、94％の効率が得られます。あなたはそれを行うことができるスイッチングレギュレータを見つけるのは難しいでしょう。

また、リニアレギュレータは入力電圧と出力電圧の差に電流を掛けたものを熱として消費する必要があることも知っています。

はい。ただし、リニアレギュレータは特定の出力電流に対して多くまたはわずかに多くの電流を引き込む必要がありますが、スイッチングレギュレータは入力電圧の低下と出力電圧の低下を交換するため、通常、同様に構成されたリニアレギュレータ全体よりも消費電力が少なくなります。

理想的なスイッチャーは電力を消費しません。それらは入力側から少し電力を受け取り、それを保存してから出力側で解放します。

エネルギーは、インダクター内の磁場またはコンデンサー内の電界のいずれかに保存されます。

インダクタのESRのような実際のコンポーネントには非理想性があるため、それらは少しの電力を消費します。また、トランジスタのスイッチング中に電力がいくらか失われます。コントローラーの一部のエネルギーも失われます。

しかし、これが同じ条件のスイッチングレギュレータに当てはまらないのはなぜですか

直列線形レギュレータの場合、（1）ソース電圧（大きさ）が負荷よりも大きく、（2）ソース電流が負荷電流。

ただし、スイッチングレギュレータの場合、ソースはスイッチング周期の一部のみに電力を供給します。この間、電源から供給される電力の一部は負荷に供給され、残りはエネルギー貯蔵回路要素に供給されます-無駄はほとんどありません。

次に、オフ時間中に、エネルギー貯蔵回路要素が負荷に電力を供給します。

これは決定的な違いです。オン時間中にソースから供給される電力だけが、負荷に継続的に電力を供給します。

たとえば、負荷が連続5Wを必要とする場合、平均電力5Wの場合、ソースは50％の時間で10Wを供給し、残りの50％で0Wを供給する可能性があります。エネルギー貯蔵回路要素は、エネルギーフローを「スムーズ」にします。オン時間中に過剰な電力を吸収し、オフ時間中にそれを供給します。

理想的な昇降圧スイッチングレギュレータは、入力と出力に直接接続された1対のキャップ、コイル、および3つの構成（降圧専用、昇圧専用、または反転回路が切り替わるルーティング回路）としてモデル化できます。 2つだけ必要です）。

1. 入力はコイルを介して出力に接続します
2. コイルは入力に直接接続されています
3. コイルは出力に直接接続されています

コンポーネントが理想的な方法で動作すると仮定します（抵抗損失やスイッチング損失などはありません）。ソースキャップは10Vで出力は1Aを消費し、スイッチャーは最初の構成で半分の時間、3番目の構成で半分の時間を費やし、キャップ電圧とコイル電流は、各サイクル中に大きく変化する可能性はありません。

「定常」状態では、上記の条件に従って、コイルには常に1アンペアの電流が流れます（常に1アンペアの負荷と直列になるため）。出力キャップが5ボルトの場合、コイルの半分の時間に+ 5Vがあり、半分の時間に-5Vがあるので、平均して電流は1アンペアのままです。ソースキャップの半分の時間で1アンペアが取り出され（コイルに接続されている場合）、半分の時間で何もないため、ソースには半分のアンペアの電流が流れます。

スイッチャーが負荷から引き出すよりもソースから引き出す電流を少なくする方法を確認する最も簡単な方法は、電子が流れている場所を調べることです。負荷を通過する電子の半分は電源から供給され、残りの半分はソースをバイパスするように切り替えました。したがって、負荷にはソースの2倍の電流が流れます。

私はこれを追加します古き良き水流の類推とボア全員に：私たちは3つの高さレベルがあると仮定H ₁、H _½、H _0を、水の供給が由来するH ₁、その後で流れるH _半分上のすべての方法バックその宛先、ミルまたは何かにビットを、そしてH ₀。レギュレータからの遷移であるH ₁にH _半。

• リニアレギュレーターは滝です。電子は雷鳴を起こし、そのポテンシャルを熱エネルギーとして環境に放出します。オン電流H _1/2で同じになりH ₁。

• スイッチャーは、水を流すだけでなく、バ​​ケツに入れて部分的に制御して下げます。H ₁から降りてくる各バケツにはカウンターウェイトが必要ですが、自然に使用できるのはH ₀からの別の水のバケツです！