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2019.07.15

良く有る CVCC 電源 - 負荷は充電回路+充電池+回路負荷

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カテゴリ：電子工作

請負先に持っていた治具の整理。治具の機能は良く有る CVCC (Constant Voltage, Constant Current) 電源だ。LM317 あるいは LM723 の様な 3 端子レギュレータで作れは簡単なはずの回路だ。

スイッチを付けておいた方が良かったかな...

負荷は充電回路 + 充電池 + PMIC(SoC 向け多出力電源IC)の上流側だ。負荷条件と使用状況からくる要求は、

出力電圧 2.8V to 4.4V
出力電流は最大 1.0A (これより大きい余裕は無い方が良い)
入力電圧 5.0V (USB AC adaptor)
充電回路が働いたり、充電池の充電量によっては、出力電圧制御目標に対して、負荷が高い電圧になっていることもある。
つなぎ替えなどの作業状況によっては、安定化電源の電源入力無しに負荷から電流が逆流することもある。
充電池が入っているので手が触れたなどの軽い接触で、CV, CC 設定が変わらない。
いくつかの充電池の残量状況を狙ったような出力を出したい。
設定変更中でも負荷に高い電圧を掛けない、電流無制限にならない。

おまけの要求は、

OP アンプを使用した回路向けに非対称でも良いから正負出力電源が欲しい。
なるべくノイズは小さめ。
負荷電流に対して 1V/1A 出力を出して、アナログメーターに繋ぎ動的な変化を見たい。

回路は次の様になった。主要な CV, CC 帰還と出力部分は昭和の時代で良く見たトランジスタ回路設計教科書にあるようなディスクリートのトランジスタと LM358 を組み合わせた回路で構成した。

小さな CVCC 電源治具 PDF 回路図小さな CVCC 電源治具 PDF 回路図ソース(bsch3, LTSpice)

回路の要点は次の通りだ。

LDO のシリーズレギュレータ
電流センスアンプ部分は 0.1 Ωの両端電圧を x10 倍する回路を入れる。これで 1V/1A 出力が得られる
CV 設定, CC 設定とも固定設定 x 4 でスイッチ切り替え式
スイッチ切り替えで並列に on の場合はほぼ中間の設定
切り替えスイッチ全て off でも過電圧・過電流にならない
逆流しても壊れない
半導体部品は手持ちでジャンク袋入り・特売品を中心から選択

おまけの機能として、

OPアンプ向け正負電源 7.66V, -2.74V 出力(入力 4.95V, 無負荷, 実測, 入力電圧を 6V にすればもう少し高くなる)

このまとめを書いて気になる点が出てくる。

C14 (OPアンプ向け正負電源の正側平滑コンデンサ) の耐圧を 25V にしておくべきだった。25V にすると 9V または 12V を入力した場合、余裕を持って正側を 15.7V または 21.7V を出せる。
安易に出力側のコンデンサ C17 1000uF/16V を入れずに発振対策をすべきだった。

回路は CVCC 電源部とオペアンプ正負電源生成部に分けて LTspice でシミュレーションしている。CVCC 電源部は次の回路でシミュレーションした。

CVCC 電源 LTspice シミュレーション回路図 PDF

LTspice souce に BatAssistBuild-LT1006.asc として入れてある)。オペアンプの電源は電圧源で簡単に作ってある。スイッチと矩形波発振器で通常負荷と過負荷を繰り返す回路を負荷にする。

オペアンプの電源に負電源を使っているので、CV, CC の帰還回路をダイオードによるアナログ的な AND 回路で合成できる。CC 動作時に出力を 0V まで絞れる。

通常負荷と過負荷状態を繰り返した波形は次の様になる。出力側のコンデンサが大きいので CC 動作に変わるときに電流のオーバーシュートが大きい。

オペアンプ正負電源生成部は次の回路でシミュレーションした。回路方式はバイポーラ・トランジスタで構成した素朴なチャージポンプ回路だ。三角波発振回路を構成し、発振回路中の矩形波で出力トランジスタをドライブ、コンデンサを充電・放電する。

オペアンプ正負電源生成 - LTspice シミュレーション回路図 PDF

今時なら専用 IC を使うか、C-MOS 74HC シリーズで IC 1 個で作る回路だ。

動作波形は次の様になる。出力は LC フィルタで平滑し、正負ともリプルは 100uV 以内に入っている。LDO レギュレータを追加せずに使うことにした。