スイッチング周波数を設定できるDCDCコントローラICを使って、ニキシー管を点灯させるための昇圧回路を設計してみました。

DCDCコンバータICとの違い

DCDCコンバータICは、コイルとダイオードなど少ない部品でDCDCコンバータ回路を作ることができる便利なICです。データシートに載っている値の部品を接続することで、簡単に回路が設計できます。しかし、目的の応じた最適化がされているために、スイッチング周波数やスイッチング時の最大電流などのパラメータを変更できないのが一般的です。

これに対して、DCDCコントローラICはDCDCコンバータの制御機能だけのICです。スイッチング周波数や最大電流を設定でき、スイッチング用のMOS-FETも自由に選択できます。

これまではDCDCコンバータICを使ってニキシー管用の電源を作ってきましたが、うまく設計できずに効率が悪いという課題がありました。スイッチング周波数をこれまでよりも低くしてみたいのと、最大電流をトランスに合わせて設計したいので、DCDCコントローラICで回路を作ってみようと思います。

MAX668

とても便利そうな昇圧用のDCDCコントローラICを見つけました。

このICは3Vでも動作するため、想定している電源電圧の5Vでも余裕で動作します。

また、スイッチング周波数やスイッチング時の最大電流は、FREQピンとCS+のピンに接続する抵抗値で設定できます。

MOS-FETは外付けですが、スイッチング用のMOS-FETのドライブ回路が入っているため、MOS-FETを直接接続できます。

DCDCコントローラICを使っていますが、少ない部品で簡単にDCDCコンバータを実現できそうです。

回路の設計

データシートにある、トランスを使ったSEPIC回路の例を参考に回路を設計します。

1:10のトランスを使う

データシートの回路のトランスは1:1ですが、これを1:10のトランスに変更します。出力電圧を175Vとすると、MOS-FETのドレイン電圧は1/10の17.5Vになり、一般的な耐圧のMOS-FETが使えます。高耐圧のMOS-FETは高価で種類も少ないですが、低い耐圧であれば安価でON抵抗の低い物を選定することができます。

スイッチング周波数の設定

スイッチング周波数はFREQピンの抵抗値で設定します。データシートの式から値を計算できます。スイッチング周波数をこのICの最低周波数である100kHzにする場合、式から500kΩと計算できます。

動作させてみてあまり良くなかった場合には、抵抗を交換することで簡単にスイッチング周波数を変更できます。

最大電流を設定

スイッチング時の最大電流は、CS+ピンに接続する抵抗値で設定できます。今回使うトランスの最大値が3.2Aなので、式に代入すると27mΩとなります。近い値で3.2A以下となる30mΩにします。

出力電圧の設定

出力電圧は以下の式で、抵抗R1とR2でよって設定できます。

Vout = Vref * ( 1+ R1 / R2 )

Vref = 1.25V

R1を2MΩとすると、R2が14.3kΩの時にVoutが176Vになります。

パラメータが決まる

以上でパラメータが決まりました。

基板の設計

左側の電源の入力端子から右側の出力端子へ、電流(オレンジ色)がスムーズに流れるように部品の配置していきます。スイッチングした時の電流のループ(水色)も、小さくなるようにします。このループの面積が小さいほど、放出されるノイズも小さくなります。

かなり小さいくまとまりました。

このモジュール基板を別の基板に直接実装できるよう、基板の側面に端面スルーホールをつけました。

中国の基板屋さんは10cm x 10cmのサイズであれば安価に製造してくれます。そこで、そのサイズになるようモジュール基板を8個面付けしました。

JLCPCBに基板を発注

端面スルーホールや金メッキの基板でも安価に作ってくれるJLCPCBに基板を発注します。

基板の設定

ガーバーファイルをアップロードすると、基板のプレビューが表示されます。その後、製造のパラメータを設定していきます。

今回の基板データは面付けされた基板データです。このため[Delivery Format]を[Panel by Customer]に変更します。面付けは縦4つ、横2つなので、Columnを4、Rowを2にします。

基板の色は黒にしたいので[PCB Color]を[Black]にします。JLCPCBの黒い基板はやや艶消しのブラックで気に入っています。

メッキは金メッキにしたいので[Surface Finish]を[ENIG]にします。

また、端面スルーホールが基板の左右の2つの面にあるので、[Castellated Hole]を[Yes]にして、[Edges]を2にします。

メタルマスクも一緒に作ってもらいます。

メタルマスクの標準サイズは38cm x 29cmと大きいので、基板サイズ+2cmの大きさにカットしてもらいます。また、基板の表面にしか部品がないので[Stencil Side]を[Top]にします。

メタルマスクが大きいと収納時に場所をとり、基板と同じサイズにするとクリームはんだを印刷するときにクリームはんだが外へこぼれます。そのため、基板サイズ+2cmが私には良いサイズ感でした。

以上で設定が完了。カートに入れます。

データのチェックを受けてから発注

[Secure Checkout]で支払いへ進みます。

発送先と配達業者を設定し、3で[Review Before Payment]を選び、右下の[Continue]をクリック。

ステータスがReviewingとなり、データのチェックが開始されたことがわかります。

チェックが完了するとJLCPCBからメールが届きます。データのチェックによって料金が変更になる場合があります。もし意図しない変更だった場合には、基板データを修正してアップロードし、もう一度チェックを受けることもできます。

チェックの結果に問題がなければ、支払いに進みます。

支払い方法を選択し右下の[Pay]をクリック。PayPalの支払い画面に遷移するので、そこで支払いを行います。

基板の発注完了

JLCPCBにDCDCコントローラを使った、ニキシー管用の昇圧基板の発注が完了しました。

さて今回の回路はうまく昇圧してくれるでしょうか。

2023.4.12 つづきはこちら

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