NJW4132を用いた昇圧回路の設計

## もくじ
1\. はじめに
2\. NJW1432U2の特徴
3\. NJW4132U2を用いた昇圧回路の設計
　3-1\. 出力電圧設定抵抗
　3-2\. 補償用コンデンサ
　3-3\. 出力コンデンサ
　3-4\. インダクタ
　3-5\. ショットキーバリアダイオード
　3-6\. 入力コンデンサ
　3-7\. プルアップ抵抗
4\. 最終的な回路とプリント基板の設計
5\. 実測と評価
6\. まとめ

## １．はじめに
　電子工作で大きな電圧＆電流を昇圧して取り出したいとき、昇圧コンバータの選択候補として挙げられるのはMC34063やNJM2360などだろう。

https://akizukidenshi.com/catalog/g/g112016/

https://akizukidenshi.com/catalog/g/g112365/

　どちらもデータシートに各種値の計算方法や参考回路が載っているだけでなく、ネット上に多くの方が実践例を挙げているため、トラブルシューティングには事欠かさずに済む。またこれらのICは大きな出力電流を流せるだけでなく、電圧の降圧、昇圧、反転と多彩な変換が可能である。はっきり言って便利である。すごい。
　秋月電子はモジュールキットも販売している。

 https://akizukidenshi.com/catalog/g/g107406/



しかしながら、以下のことも考えられる。
1\. MC34063やNJM2360は大きい。
2\. スイッチング周波数にこだわりがない。(タイミングキャパシタ(CT)の設計はどうでも良い)
3\. 外部抵抗による出力電流制限まで考慮する気がない。
4\. 自分でプリント基板設計をしたいのでキットは使いたくない。　etc.
　そんな方のために、小型で大電力に対応できて部品数も比較的少なくて済む、NJW4132U2をオススメしたい。

https://akizukidenshi.com/catalog/g/g108271/

## ２．NJW4132U2の特徴
　細かい仕様はデータシートを読んでいただく方が正確なので、ここでは基本的な性能のみ示す。
| 記号 | 説明 | Min | Type | Max | 単位 |
|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|
| $V+$ | 入力電圧 | 4.5 | - | 45 | V |
| $V_{sw}$ | 出力電圧 | 4.5 | - | 45 | V |
| $I_{sw}$ | 出力電流 | - | - | 1.75 | A |
| $f_{osc}$ | スイッチング周波数 | 630 | 700 | 770 | kHz |

　昇圧できる電圧は45Vまで、出力電流は1.75Aまで（データシート的には2.25Aまでならギリ許容っぽい）と高出力に対応している。さすが日清紡。
　パッケージタイプがSOT-89-5と小さいのも魅力的だ。

 ## ３．NJW4132U2を用いた昇圧回路の設計
 　今回は**20Vを30Vに昇圧する回路**の設計を行う。回路例は以下のよう。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/33fef235-a1ff-4b73-89e3-034692685405.png)

今回は以下の仕様とする。
| 記号 | 説明 | 値 |
|:-:|:-:|:-:|
| $V_{IN}$ | 入力電圧 | 20V |
| $V_{OUT}$ | 出力電圧 | 30V |
| $I_{OUT}$ | 出力電流 | 375mA |
| $f_{osc}$ | スイッチング周波数 | 700kHz |

ここからデータシートを基に各部品の値を決めていく。
### 3-1. 出力電圧設定抵抗
```math
\begin{align}
V_{OUT} &= \bigg(\frac{R_2}{R_1}+1\bigg)V_{B} \\
30 &\fallingdotseq \bigg(\frac{R_2}{R_1}+1\bigg)×1.0 \\
\therefore  R_{2} &= 150k\Omega,  R_{1}=5.1k\Omega
\end{align}
```
このときの計算上の出力電圧$V_{OUT}$は**30.4V**になる。

### 3-2.補償用コンデンサ
　データシートを読むとスイッチングレギュレータの位相を補償するためのコンデンサが必要らしい。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/bf31b9c6-21a0-48c1-94f2-9480f06cddbd.png)
　計算する。
 ```math
\begin{align*}
20k &\leq f_{ZI} \leq 60k \\
20k &\leq \frac{1}{2\pi R_2 C_{FB}} \leq 60k \\
20k &\leq \frac{1}{2\pi \times 150k \times C_{FB}} \leq 60k \\
18p &\leq C_{FB} \leq 53p \\
\therefore\ C_{FB} &= 33p [\mathrm{F}]
\end{align*}
 ```
 このときの計算上のゼロ点$f_{ZI}$は**32kHz**になる。
>今回の場合、$C_{FB}$は22pF, 33pF, 47pFが候補に挙げられる。$R_2$の値によって$C_{FB}$の範囲は変わるものの、概ね12pF～68pFとなるように$R_2$を設定したほうが良さそうである。

 ### 3-3. 出力コンデンサ
　今回はデカップリングコンデンサを外部に追加するため、出力コンデンサ$C_{OUT}$はスイッチングノイズの吸収を主目的とした。
　村田製作所の公式サイトには、積層セラミックコンデンサ（以下MLCC）の特性を確認できるサイトがある。以下はそのリンク。
[村田製作所: 設計支援ソフトウェア "SimSurfing"](https://ds.murata.co.jp/simsurfing/index.html?lcid=ja)
今回は
1\. リード付きセラミックコンデンサ
2\. 定格電圧は35V以上
3\. 700kHz付近のインピーダンスが低い
4\. 秋月電子で入手可能
という条件で調べた。その結果10uF50VのMLCCが最も条件を満たしていたので、今回は$C_{OUT}=10\mu F$とした。以下はそのMLCCの周波数特性の図である。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/1fa5657c-6e0c-48c8-9d02-a4bdfddc1801.png)
700kHz付近におけるインピーダンスがかなり低いことが見て取れるだろう。
他にもDCバイアス特性なども確認できるので、ぜひ活用していただきたい。

### 3-4. インダクタ
まずは入力電流$I_{IN}$を求める必要がある。なお、変換効率$\eta$を90%とした。
``` math
\begin{align*}
I_{IN} &= \frac{V_{OUT} \times I_{OUT}}{\eta \times V_{IN}} \\
       &= \frac{30 \times 0.375}{0.9 \times 20} \\
\therefore\ I_{IN} &= 0.625\ [\mathrm{A}]
\end{align*}
```
次にインダクタ平均電流$\Delta I_{L}$を180mAと仮定して、
```math
\begin{align*}
\Delta I_L &= \frac{(V_{OUT} - V_{IN}) \times V_{IN}}{L \times V_{OUT} \times f_{osc}} \\
&\Leftrightarrow \\
L &= \frac{(V_{OUT} - V_{IN}) \times V_{IN}}{\Delta I_L \times V_{OUT} \times f_{osc}} \\
&= \frac{(30 - 20) \times 20}{0.18 \times 30 \times 700k} \\
\therefore\ L &= 53\mu [\mathrm{H}]
\end{align*}
```
取得しやすい値を考慮し、$L=47\mu H$とした。
このときの計算上のインダクタ平均電流$\Delta I_{L}$は203mAになる。許容範囲。
> 今回は出力電流$I_{OUT}$の半分の値をインダクタ平均電流$\Delta I_{L}$と仮定した。深い意味はない。

このときのピーク電流$I_{pk}$は
``` math
\begin{align*}
I_{pk} &= I_{IN}+\frac{\Delta I_{L}}{2} \\
       &= 0.625+\frac{0.203}{2} \\
\therefore\ I_{pk} &= 0.7265\ [\mathrm{A}]
\end{align*}
```
以上より、インダクタンスが$47\mu H$で定格電流が$0.7265A$以上で直流抵抗(RDC)が小さいインダクタを選定する必要がある。
・表面実装部品なら [SMDパワーインダクター(NRシリーズ) 47μH](https://akizukidenshi.com/catalog/g/g108322/) や[SMDパワーインダクター 47μH3.25A](https://akizukidenshi.com/catalog/g/g113966/)
・スルーホール部品なら [インダクター 47μH1.5A SRC1317](https://akizukidenshi.com/catalog/g/g115994/)
あたりが無難だろう。実装面積を考慮するなら表面実装部品が良いと思う。

### 3-5. ショットキーバリアダイオード
　ショットキーバリアダイオード（以下SBD）に流れる電流（順方向電流）の最大値はインダクタのピーク電流$I_{pk}$と等しい。したがって今回のSBDの選定条件は順方向電圧が低く、順方向電流が$0.7265A$以上の部品となる。これを満たす素子はたくさん存在するので好きなものを選んで良いだろう。例として
・表面実装部品としては[表面実装用ショットキーバリアダイオード 40V1A SS14](https://akizukidenshi.com/catalog/g/g113240/)
・スルーホール部品としては[ショットキーバリアダイオード 45V2A SBM245L](https://akizukidenshi.com/catalog/g/g117439/)
などがある。

### 3-6. 入力コンデンサ
　入力コンデンサ$C_{IN}$はノイズの吸収とデカップリングができれば何でも良いと思う。今回は「3-3. 出力コンデンサ」と同じ理由で10uFのMLCCとし、さらにデカップリングのために47uFのアルミ電解コンデンサをつけた。
 
### 3-7. プルアップ抵抗
　4番ピンの「EN/SYNC」は『スイッチング周波数を自分で設定したいならここに所定のクロック周波数（矩形波）を入れてね。そうじゃないならHighにしてね』というピンである。こだわりがない限り、Highにしておくのが無難だろう。
　$R_{EN}$はEN/SYNCピンのプルアップ抵抗である。プルアップ抵抗を挿入することでVBUSの供給に少し遅れてEN/SYNCピンもHighに、VBUSの供給がなくなったらEN/SYNCピンもLowになる。10kΩ～100kΩ程度で良いだろう。


## ４．最終的な回路とプリント基板の設計
　前章を踏まえ、最終的な回路図は以下のようになった。
　部品の番号（アノテーション）が変わっているのは、画面外に別の回路も描いているからである。気になるかもしれないがお気になさらず。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/70a324f2-f90d-426d-82e3-9b863afa918b.png)
　続いてプリント基板の設計に移る。
　データシートには、インダクタンスからの漏れ磁束の影響を軽減するためにインダクタはフィードバックライン（今回の回路では$R_1$、$R_3$、$C_4$たち）から離すよう書かれている。
 ![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/f9e758da-1214-4df9-9d89-d6008e9d1d51.png)
　白枠で囲った部分が今回の回路。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/854366a9-2f18-4775-8df7-675012c27d6c.png)
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/c61fded6-9adb-4ec9-b20c-5d0a3dd83d8a.png)

## ５． 実測と評価
　JLCPCBに基板を発注した。基板が届いた後、手ではんだ付けを行った。
![S__229335042.jpg](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3911381/85553003-2a95-4060-af3b-42561b7adc6f.jpeg)

　電圧や順方向電圧などを実測し、想定とどのくらいズレていたか調べてみる。計測は市販のテスターで行った。
| 記号 | 説明 | 計測条件 | 理論値 | 実測値 | 誤差 | 評価 |
|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|:-:|
| $V_{OUT}$ | 出力電圧 | $I_{OUT}=10mA$ | 30.4V | 30.8V | +1.3% | 抵抗の誤差や配線の寄生抵抗が影響した可能性 |
| $V_B$ | NJW4132の基準電圧 | 〃  | 1.0V | 1.0V | 0% | すごい |
| $R_{DC}$ | インダクタのRDC | 〃 | 92mΩ | 90mΩ | -2.2% | 良き |
| $V_F$ | SBDの順方向電圧 | 〃 | 0.43V | 0.20V | -53% | 良き |


## ６．まとめ
　初めてスイッチングレギュレータの設計を行ったが、リニアレギュレータに比べて考慮すべき事項が多く大変だった（小並感）。しかし一方で達成感も大きかった。
　「スイッチングレギュレータはノイズが大きい」とよく言われる。今回はそこまで躍起になってノイズ対策をしなかったが、もしさらにノイズ対策をしたいのであれば、出力段にフェライトビーズを付けるという方法がある。以下の記事にその手法が丁寧に書かれているので、気になる方は参考されたし。
[DC/DCコンバータにおけるフェライト・ビーズの活用法](https://www.analog.com/jp/resources/analog-dialogue/articles/ferrite-beads-demystified.html)
[フェライト・ビーズの特性を知る](https://www.analog.com/media/jp/technical-documentation/application-notes/an-1368_jp.pdf)

この記事がNJW4132やその他のスイッチングレギュレータの設計の一助になれば幸いである。

#### ここまで読んでいただきたき、ありがとうございました。m(_ _)m