スイッチトキャパシタ

スイッチトキャパシタ（Switched Capacitor）

スイッチトキャパシタは、コンデンサとスイッチを組み合わせた電子回路であり、抵抗器のように電流または電圧を制御する機能を持っています。通常の抵抗器は電力を熱として放出しますが、スイッチトキャパシタはその動作において、電力消費がないかのように見えます。しかし実際には、設計上の理想から外れると電力の消費は少なからず発生します。この回路は、電源電圧を変換したり、信号を処理する際に広く使用されます。

スイッチトキャパシタの用途

スイッチトキャパシタは、多くの用途に対応し、高度な機能を持つ電源回路として利用されています。特に、入力電圧を倍増させるチャージポンプ回路がその代表例です。このチャージポンプは、電圧を高く変換するための回路ですが、スイッチトキャパシタは、全てのスイッチング素子をMOS-FETなどで制御することで、より効率的に動作させることができます。

原理について

この回路の基本的な構造は、コンデンサの一端に充電側と放電側のそれぞれにスイッチが配置されているというものです。最も基本的なスイッチトキャパシタの動作を考えましょう。初めに、充電側のスイッチをオンにし、放電側のスイッチをオフにします。この状態で、コンデンサは充電を行い、電圧が上昇します。その後、放電側のスイッチをオンにし、充電側のスイッチをオフにすると、コンデンサから電荷が放出され、電圧が低下します。この過程を循環的に繰り返すことにより、スイッチトキャパシタは機能します。

この方式は、バックコンバータ等のスイッチング電源回路とは異なり、コンデンサに対して流入する電流を制限する要素が存在しないため、スイッチングのデューティ比を変更しても等価抵抗値は変わりません。ここでの等価抵抗値は、スイッチング周波数を$f$、コンデンサの静電容量を$C$とすると次の式で表されます。

$$ R = \frac{1}{fC} $$

この式からもわかるように、スイッチのオンオフによって、出力信号にローパスフィルタとしての作用を持たせることができます。これにより、入力電圧に対して出力電圧を低く保つことが実現できるのです。理論上は、抵抗器によって電圧を下げるのと同等の機能を持ちながら、電力の損失を回避できる形となります。

ただし、実際の動作ではいくつかのロスが発生します。特に、キャパシタの電圧変動に伴う損失は、その変動の2乗に比例して増加します。仮にスイッチの導通抵抗がゼロであっても、短瞬間でのピーク電流により、無限大の損失が発生する可能性があります。これは導通損とは異なり、一種のスイッチング損として認識されています。

これらの原理を駆使し、複数のコンデンサに蓄えられた電荷を直列で出力することにより、入力電圧よりも高い電圧を得ることができます。この技術に関する詳細や使用方法については「チャージポンプ」を参照することをお勧めします。

脚注

• - 関連項目: チャージポンプ、コッククロフト・ウォルトン回路

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