降圧（降圧）スイッチングレギュレータにインダクタとダイオードが必要なのはなぜですか？

したがって、少なくとも基本的なレベルでは、降圧コンバータと昇圧コンバータの両方のスイッチングコンバータの動作方法を理解しています。しかし、私を困惑させているのは、特に降圧コンバーターが単純ではない理由です。

出力電圧をリファレンスと比較するコンパレータによって制御されるスイッチで、コンデンサを充電するスイッチとして降圧コンバータを構築してみませんか？それはもっと簡単ではないでしょうか、インダクタの代わりにもっと簡単で安価に入手できるコンデンサを使用し、ダイオードを完全にスキップできるでしょうか？

バックコンバータは、ブーストコンバータと同じくらい簡単です。実際、どちらのスイッチ（2つのうち）が制御スイッチとして機能するか（同期コンバーターの場合は両方）を自由に選択できる場合、それらはまったく同じ回路であり、逆向きに見えるだけです。

2番目の段落に関して、それを行うと、損失が発生します。インダクタベースのスイッチドレギュレータよりも、リニアレギュレータよりもはるかに多くです。初期電圧が電圧源と同じではないコンデンサに電圧源を接続するたびに、エネルギーを無駄に消費することは避けられません。明示的な抵抗器が表示されなくても、実際にはそこにあり、（奇妙なことに）どんなに小さくても、同じ量のエネルギーを無駄にします。こちらをご覧ください。

チャージポンプはあなたが言うように機能しますが、インダクタベースのスイッチドレギュレータよりも効率が劣ります。

したがって、これは、明らかに不要なのですが、インダクタベースのスイッチドレギュレータの複雑さが増したことの正当化です。

詳細：降圧コンバータと昇圧コンバータが存在する理由を直観的に理解するには、この図を参照してください。

似ていない2つの電圧源間、または似ていない2つの電流源間でエネルギーを移動しようとすると、避けられない損失が生じます。一方、電圧源を電流源に接続すると、損失なくエネルギーを移動できます（途中で電圧または電流のスケーリングを行うこともできます）。電流源に最もよく似た受動的物理要素はインダクタです。それが、インダクタベースのスイッチドレギュレータが存在する理由です。

チャージポンプは左側の列にあります。理論上の最大効率は100％未満です（実際の効率は、電圧の差と容量に依存します）。インダクタベースのスイッチドレギュレータは右側の列にあります。彼らの理論上の最大効率は100％です（！）。

あなたが説明していることに関する問題は最新のものです。降圧型コンバータでは、5Aを入力するだけで平均10Aを出力できます。これは、他の5Aがダイオードを介して出力に到達するためです。また、誘導性キックのために、ダイオードは順方向にのみバイアスされます。インダクタとダイオードがなければ、電流が出力に流れる経路は1つだけであり、それは入力からまっすぐ出ています。このトポロジでは、平均出力電流が10Aの場合、平均入力電流も10Aでなければなりません。入力から出力への電圧が失われている場合、電流は同じままですが、失われたエネルギーは熱として放散されます。これは、そもそもリニアレギュレータの代わりにスイッチングレギュレータを使用する目的に反します。

さらに、異なる電圧で2つのキャップを取り、それらの間のスイッチを単純に閉じると、瞬時電流は非常に大きくなります。各キャップをテブナンソース、抵抗が直列の完全な電圧源としてモデル化します。2つの完全なソース間のパスの抵抗は、スイッチングデバイスのオン状態抵抗と、両方のコンデンサのESRになります。キャップのESRは、おそらく1ミリオーム程度になるでしょう。トランジスタのオン抵抗はさまざまですが、おそらく100ミリオーム以下です。したがって、入力と出力の間に10Vの差がある場合、スイッチをオンにしたときの瞬間的な入力/スイッチ電流は少なくとも100A、場合によっては数千アンペアにもなります。

もちろん、出力負荷と比較ループのきつさに応じて、これらのスパイクが頻繁に発生するだけです。残りの時間、入力/スイッチ電流はゼロです。したがって、1Aの平均を引いている可能性がありますが、入力では、0.1％のデューティサイクルで1000Aのスパイクが見られます。そのような定期的な大電流スパイクは、問題を適切に溶かすことになります。その種の波のRMS電流は、平均電流の18倍のようになります！また、より強力なスイッチが必要です。このスイッチは、瞬間的な高電流でも飽和しません。配置が延期する電磁ノイズは言うまでもありません！

トランジスタをアナログモードのままにして、そのゲート電圧を調整するだけで、ドレイン-ソース間抵抗が出力キャップを必要な電圧に保持することができます。そして、そこには線形レギュレーターがあります。

ニック-インダクタコンバータの説明は主に他の人に任せ、対処します。

出力電圧をリファレンスと比較するコンパレータによって制御されるスイッチで、コンデンサを充電するスイッチとして降圧コンバータを構築してみませんか？それはもっと簡単ではないでしょうか、インダクタの代わりにもっと簡単で安価に入手できるコンデンサを使用し、ダイオードを完全にスキップできるでしょうか？

非常に特別な方法を使用すると、エネルギーをある電圧レベルから別の電圧レベルに効率的に変換するコンデンサコンバータを作成できます。しかし、単純な方法はひどく失敗します。1つのコンデンサから等しい容量の別のコンデンサに電荷をダンプすることにより電圧を半分にするシングルステージコンデンサコンバータの理論効率は50％であり、実用的な理論効率は理論値以下で、おそらくそれ以下です。これは、「物理法則」の単純な適用によるものです。残念なことに、優れた効率を達成するための要件は、コンデンサベースのコンバータよりもインダクタベースのコンバータの方がはるかに簡単に満たされます。

この簡単な思考実験を試してください。
静電容量が等しい2つのコンデンサC1およびC2を使用します。
C1を充電して10Vと言います。
電荷と静電容量に関する基本的な式は、V = kQ / Cです。
ここで、Vはコンデンサ電圧、kは定数、Qは電荷、C =静電容量です。次に、C2をC1に接続します。
C1の料金は、C1とC2で均等に共有されるようになります。
したがって、各コンデンサの電圧は5Vです。それぞれの電荷が元の半分であるか、静電容量が2倍になっているためです-同じことを見る2つの方法。

ここまでは順調ですね。

ただし、コンデンサのエネルギーは0.5 x C x V ^ 2です。

最初はE = 0.5 x C x 10 ^ 2 = 50Cエネルギー単位を超えています。
2つのコンデンサを組み合わせた後のキャップあたりのエネルギー= 0.5 x C x 5 ^ 2または2つのキャップの場合、
エネルギー= 2 x 0.5 x C x 5 ^ 2 = 25Cエネルギー単位。
まあ ！:-(。
2つのコンデンサを組み合わせて充電を共有するだけで、存在
するエネルギーの半分になりました！プロセスでエネルギーの半分が失われました！
この一見奇妙で不可解な事実は、転送中の抵抗エネルギー損失によるものです。 BESTこのように電圧が半分になると、エネルギーの半分が失われます。エネルギーの移動に大きな抵抗値を使用しても、ワイヤのような非常に低い抵抗値でも、最小のエネルギー損失結果は同じです。後者の場合、非常に高い電流が流れます。

「明らかな」解決策は、「コンデンサを互いの上に立てて」充電し、それらを並列に配置して放電することです。これは動作します！1サイクル。理論効率= 100％。この場合、実際にこれを行うには、複雑さと損失のある少なくとも2つの切り替えスイッチが必要であり、2：1の比率でのみ機能します。さらに悪いことに、負荷でキャップ電圧を下げて次のサイクルのために再充電する必要がある場合、再充電には以前と同じ抵抗損失があることがわかります。電力を消費しない場合にのみ、理論上の効率は100％になります:-(。
一種の解決策は、コンデンサの電圧降下をごくわずかにし、わずかに再充電することです。これを行うと、効率は100％に近くなりますが、負荷電流ごとに大きな容量が必要になり（ほとんどの容量は電圧を一定に保つために使用されるため）、まだ2：1の変換比しかありません。他の比率を達成することもできますが、それは煩わしく、複雑で高価になり、ほとんどの場合インダクタを使用するよりも利点がほとんどないか、まったくありません。一部の非常に専門的なコンバータはこの方法で動作しますが、まれです。また、2：1、3：1、4：1などのいくつかの固定比率のコンバーターICを購入することもできますが、通常は低電力で、Voutが負荷で垂下し（Zoutが優れている）、通常は劣っています多くの点で、インダクタベースのコンバータです。

電圧の降圧に使用される、シンプルで安価な簡単な降圧コンバータがよく見られるのは、このためです。実際のコンバータは、1 x L、1 x D、1 xスイッチ（MOSFETなど）を使用し、残りは「接着剤」または改良です。コントローラーも非常にシンプルにすることができます。

コンデンサの電圧を一定に保つことは不可能です。スイッチを閉じるたびに、スイッチに電圧（どの電圧？）がダンプされ、高電流ピークにより電圧が上昇します。コンデンサもそれを好まないでしょう。そして、スイッチングで多くのエネルギーを失います。

スイッチャーでは、コイルはコンデンサを充電する電流がスムーズに上昇し、平均して負荷電流に追従するようにします。ダイオードはスイッチが開くときに必要です。その瞬間、コイルは磁場を作り上げ、そのエネルギーはどこかに行かなければなりません。ダイオードはループを閉じ、コイルの電流が流れ続けるようにします。

より高度なスイッチングデバイスのおかげで、最近の降圧型コンバータは、動作理論が示唆するよりもずっと簡単に構築できます。また、最大95％の効率を達成できます。これは、コンデンサのオンとオフを切り替えるだけでは不可能です。

ダイオードの必要性を理解する最も簡単な方法は、電子が電源を通過するたびに負荷を通過できる回数を考えることです。ダイオードがない場合、負荷を通過するすべての電子は、負荷を再訪する前に電源を再び通過する必要があります。ダイオードを追加すると、一部の電子が負荷を通過し、ダイオードを通過し、電源を経由せずに再び負荷を通過できるようになります。コイルが必要なのは、コイルがなければ、負荷を通過してダイオードに到達する電子には、ダイオードを通過して再び負荷を訪れるのに十分なエネルギーがないからです。コイルは、電源から新たに来る電子から過剰なエネルギーを吸収し、それを再循環電子に供給します。

直列に1つの抵抗比、Rsと抵抗、RLとシャントを共通にした抵抗比でDC電圧を下げることができますが、直列Rsの電力損失= V * Iでは効率的ではないことがわかります。

あなたは、スイッチド抵抗比（あなたが提案したように）でステップダウンすることができ、そして直列抵抗はデューティサイクルとスイッチの有効直列抵抗（ESR）の関数です。

したがって、 Rs = ESR / T {Tはオン時間/ T = 0〜1のサイクル時間}

今、あなたの負荷は、電圧とおそらくアクティブなツェナーを安定させるために静電容量を必要としますが、それでも直列抵抗に損失があります。10：1の比率を考慮すると、電流は10倍高くなりますが、1/10の時間でP = V * I * Tになり、電力損失はリニアレギュレータと同じになります。 理にかなっていますか？

インダクタは、電圧を降圧しながら安定した電流を供給します。電流は大部分が無効であり、降圧デバイスとしてのクロック切り替えAC信号に対して位相がずれているため、はるかに効率的です。理にかなっていますか？リアクタンスインピーダンスを負荷よりもはるかに低くすると、さらに効率的になります。これは、スイッチングレートとインダクタンス値を増やすことを意味します。しかし、フェライトの飽和は実用的な電流制限に達しているため、より大きな電流にはエアギャップフェライトを使用することが重要です。