連 載

PSoC マイコン活用講座
内蔵パワー MOS を使った
DC − DC コンバータ・アプリケーション

第６回 スイッチ・モード・ポンプの実験とLED ドライバの製作
桑野 雅彦
Masahiko Kuwano

今回は，PSoC の特徴の一つである昇圧回路「SMP（スイッチ・モード・ポンプ）」を使ってみましょう．

範囲未満になってしまいます．
乾電池駆動を前提としたマイコンの一般的な対応方

せっかくの昇圧機能の実験なので，アプリケーショ法は，動作電圧を引き下げるというものです．例えば，ンも昇圧回路とし，PSoC を使った定電流型昇圧回路を製作して乾電池 1 本で白色 LED を定電流駆動してPIC ならば 2.0 V，78 K0/Kx2 シリーズでは 1.8 V という低電圧動作を可能にしています．

みました（写真 6 − 1）．

一方，PSoC では，電源電圧そのものを昇圧するという少々珍しい方法を採用しています．小規模なスイPSoC は 1.0 V でも動作する

ッチング・レギュレータを内蔵しており，外部にコイル，ショットキー・バリア・ダイオード（SBD），そ

PSoC の動作電圧は 3.0 〜 5.25 V です．このままでしてコンデンサを付けることで対応しているのです．

は，乾電池 1 本はおろか 2 本でもぎりぎりです．ニッケル水素電池（出力電圧 1.2 V）などでは，2 本でも動作

これが SMP です（図 6 − 1）．
PSoC の SMP は，1.0 V 以上あれば 3.25 V に，さらに 1.8 V 以上あれば 5 V まで昇圧できるようになっています．

点灯状態

SMP を動作させるのは簡単で，図 6 − 1（ a）のような 回 路 を 組 ん だ 後 ， PSoC Designer の Global
Resources で表 6 − 1 の設定を行うだけです．
FET

SBD

昇圧回路の原理

SBD

PSoC

コイル

● コイルとコンデンサの表裏な関係
コイルとコンデンサ（インダクタンスとキャパシタ

電流検出抵抗ンス）は，電気回路の表と裏のような関係にあります．

写真 6 − 1 製作した SMP 実験回路と PSoC 定電流型昇圧回路
ショットキー・バリア・ダイオード
2.2μH（1〜10μH）
電源
1.0V〜

PSoC
SMP

VDD

3.25V/5.0V（設定による）

VDD
電源
1.8V〜

SMP
制御回路

10μVss

I /O

VDD

出力端子

I /O

VDD 以上の電圧がGND
電源電圧に応じてI /O
電圧も低下する

VDD

かかると寄生ダイオードや保護ダイオードを伝わって電源端子に逆流
入力端子

3.3V/5V系の信号入出力可（a）PSoCはSMPで昇圧して3.25V/5.0Vで動作（b）一般的な低電圧動作マイコンは電源電圧そのもので動作

図 6 − 1 低電圧化へのアプローチの違い

2402005 年 11 月号

両者の基本式を以下に示します．
bコンデンサdQI＝………………………………………
（6 − 1）
dt
dV
I＝C……………………………………（6 − 2）dt

絡して電位差を 0 にすると dI/dt も 0 なので，電流変化は 0 です．つまり，コイルに電流を流した後すかさず両端をショートするとその電流を維持し続けることになります．
この， 電流を維持しようという性質がスイッチ

ング・レギュレータに応用されているのです．

bコイル

dφ
……………………………………（6 − 3）
dt
dI
V＝L
……………………………………（6 − 4）dt
V＝各式を積分して初期値を 0 にすると，● 充放電の回路動作
コイルとコンデンサの動作を図 6 − 2 に示します．
図の上段が充電状態，中段が放電状態です．
この図では，スイッチが瞬時に切り替わるということを前提にしていますが，実際のスイッチは瞬時といIt ＝ Q …………………………………………（6 − 5）
It ＝ CV ………………………………………（6 − 6）
Vt ＝φ ………………………………………（6 − 7）
Vt ＝ LI ………………………………………（6 − 8）という形になります．
ただし， I は電流， Q は電荷， C はコンデンサのキャパシタンス，φは磁束，L はコイルのインダクタン
ス，V は電圧，t は時間です．
コンデンサ式（6 − 5）から，電流が一定なら時間と電荷は比例することがわかります．
また，式（6 − 6）からは，定電流でコンデンサに充電すると（C は一定とする），時間に比例して電圧が増加することがわかります．放電の場合は，時間に比例して電圧が低下します．
式（6 − 2）から， I が 0，すなわち電流が流れなければ dV/dt も 0 なので，電圧変化がありません．つまり，コンデンサは何もしなければ今の電圧を維持し，電流が流れればそのぶん電圧が変動することになります．
コイル
コイルは電荷ではなく，磁束でエネルギーを蓄えます．動作は先ほど表裏一体と言ったとおり，コイルの場合には電圧と電流をひっくり返したようになります．
式（6 − 7）から，電圧が一定なら時間と磁束は比例することがわかります．
また，式（6 − 8）からは，定電圧をかけていると（ Lは一定とする），時間に比例して電流が増加していくことがわかります．放電の場合は，時間に比例して電流が低下します．
式（6 − 4）から，V が 0，すなわちコイルの両端を短ようにしているわけです．

表 6 − 1 SMP は Global Resources で設定● 昇圧回路の出力電圧

Global Resources

昇圧回路の出力電圧を考えてみましょう．いま，出力が安定して出力電圧が Vout だったとします．ton 期

Value

SwitchModePump

ON

Supply Voltage

3.3 V/5.0 V のいずれかから選択

TripVoltage

Supply Voltage に合わせて選択．SMP 側なので［ ］内を見る

2005 年 11 月号

うのは無理なので，切り替わりの瞬間に一瞬回路がOFF 状態になります．この瞬間は，高抵抗の状態なので，コイルにはきわめて高い電圧が発生してしまいます．
接点部分で放電がおきてしまったりと実用的でないので，この図はあくまでも概念図です．

昇圧回路の基本動作
実際の昇圧回路の基本回路構成と原理図を図 6 − 3に示します．FET はスイッチの役目を，ダイオードの先にはコンデンサを付けて電圧の変動を抑え込んでいます．
FET が ON のときはコイルに V in の電圧（正確にはVin から FET のドレイン−ソース間電圧を引いた電圧）が加わります．FET が t on 期間だけ ON していれば，コイルに流れる電流 IL は，ton
IL ＝ VinLとなります．
スイッチが OFF すると，今度はダイオードを経由して負荷に電流が流れます．コイルが電源（電流源）のようになって，Vin と直列になるわけです．コイルの電圧を VL とすれば，VL ＝ Vout − Vinとなります（正確にはさらにダイオードの V F を引いた電圧）．
この状態を交互に繰り返しながら，引き上げた電圧でコンデンサに蓄えて， t on 期間の電圧低下も抑える

間はコンデンサが放電方向，toff 期間が充電方向なので，実際には電圧変動がありますが，簡単のためほぼ一定電圧であるとします．また，ダイオードの VF と241