HIDヘッドライト用12V1A級DC-DCコンバータの製 作記

最終更新2007年3月11日

• 仕様
• パーツ選定
• 電流検出抵抗作成
• 効率改善、FET換装
• 進行状況＆＆今後の予定
  

• 負荷は10Wの小型メタルハライドランプ（HID）12V入力
• 電源はラジコン用7.2Vニッケル水素バッテリー3000mAhを想定し、6V〜8V程度の入力電圧。

個人でDC-DCコンバータを自作する場合、部品の入手が鍵となります。業務なら最新のパーツが使えるのですが、個人向け電子 パーツショップにおいてある部品は数世代前のものがほとんどですよね。。。。
とりあえず、コンバータの鍵となる制御ICを売っている店を探したところ、若松通商でMaximのMAX771が売られていたので通販で購入。それ以外の パーツは大抵どのショップでも売っているものです（インダクタはちょっと入手難ですが）。　購入したパーツリストは以下のようになります。

＜補足＞
• MOS FETはほかに日立H7N0307AB（ON抵抗4.6mΩ　ゲート容量Qg=40nC）。さらにON抵抗が低抵抗4mΩな2SK3142も ありますが、これはゲート容量Qgが130nCとやや大きいのが難点。ON抵抗とゲート容量は基本的に相反する性能なので、スイッチング速度を考えながら 最適なものを選ぶ必要があるようです。HAT2070Rの ような比較的最近のFETはかなり性能が良いようですが、個人では入手が難しいです。しかし、某ジャンク系通販ショップ（評判が悪い店なの で店名は伏せます）でこのFETが売られていたので購入しました。効率比較は下記参照。
  
  
• ショットキーバリアダイオードももっと高性能なもの（低Vf）があるようですが、なかなか入手できません。
• これらのデバイスは若松通商の電子部品専門通販サイトや秋月電子の通販で買えます。
  

そして、電源用にラジコン用7.2VNi-H電池（3,000mAh）を購入。

DC/DCコントローラMAX771を使うためには75mΩ程度の低抵抗値な抵抗が必要になります。しかしながら、0.1Ω以下 の抵抗はなかなか売っていません（2004年2月現在、千石電子に0.1Ω酸化金属皮膜抵抗が売られています）。 いくつかの抵抗を並列接続して75mΩを実現する方法もありますが、自作ついでにこの抵抗も自作することにしました。抵 抗体としてホームセンターで購入したステンレス線（線径0.3mm）を使用。抵抗値を測定したところ、約1cmで75mΩになりました。これを1mmス ズめっき銅線に巻きつけて下の写真のようにハンダつけして抵抗を作成しました。

実際に作成して抵抗値を実測したところ、85mΩありました（写真左）。ところが、この抵抗値が高すぎることが判明したので、作り直したのが写真右です。 こちらは、実測抵抗値54mΩ、ステンレス線の間隔7mmです。

なお、この様な低抵抗値を正確に測定するためには４端子法（適当な電流を流し電流値と抵抗両端電圧を測定して抵抗値を求める）を使う必要があります。

　また、ステンレスは通常のハンダではつけることができません。ステンレス専用のフラックス（ホームセンターで売っています）を使う必要がありますが、こ れは強酸性で非常に腐食性が高いので注意が必要です。ハンダ付け後にフラックスを丁寧に洗い落とす必要がありますし、ハンダこても電子部品用とは別のもの （安物）を使ったほ うが方が良いと思います。
　この写真の撮影後、エポキシ樹脂で固めて完成。　でも、これってどのくらいの電流まで耐えられるのかな。ちょっと心配（実際に点灯 して試したところほとんど発熱は無いようです）。

この54mΩの抵抗を使ってみたのですが、どうもまだ抵抗値が高いような気がして、インダクタンスの影響を概算してみました。リード線を含めて2cm程度 の導線長でかつ線径が細いので0.01μH程度のインダクタンスがあり、スイッチング周波数である300ｋHzにおいて20mΩ程度のリアクタンスを持ち そうです（この抵抗に流れる電流は正弦波ではないので単純計算できませんが）。ということでもう少し（直流抵抗が）小さい抵抗を作る必要がありそうです。

DC/DCコンバータの回路図は以下のとおりです。うう、C4が二つある（汗、　そのうち修正します。


C1は入力側のコンデンサ、ここにOS−CONを使用する場合、電源投入時に急激なラッシュ電流が流れコンデンサが破損する可能性があります（特 に電源がニッケル水素バッテリーのような低内部抵抗な電源の場合）。そこで、電流制限インダクタを追加しました。

出力側のコンデンサはC2の100μFでも十分なようです。しかし、グランドの引き回しが悪く、C2とMAX771との距離が長くなり、ICの電源端子に かなりノイズが乗ってしまったので、47μFのコンデンサ（OS-CON）をMAX771のそばに配置しました。

C3はいわゆるパスコン、積層セラッミックチップコンデンサをICのリード足に直接配置。

C4（0.1μFの方）は積層セラッミックコンデンサを使用。

実際の基板上の部品配置もこの図のとおりにする予定ですが、グランドの引き回しがいまいち。特に大電流が流れるFET→Rsense抵抗経由の電流を最短 経路にする必要がありそうですが、この図のままだとダメですね。
基板に実装してみたところ、こんな感じになりました（ ちなみに緑のコイルは電源ON時の突入電流軽減用のインダクタ、黄色の塊がRsense抵抗）。　ハンダ面は。。。恥ずかしいから見せら れません(^^

とりあえず、一通り半田付け付け。ショートなどが無いか目視＆テスターでチェック。次に、入力に6V安定化電源を繋ぎ、出力（開 放）電圧を測ったところ、しっかり12V出ていることを確認。

つぎに、入力に単三電池4本、出力に10W　HID球を繋いで　スイッチON

キターーーーー！！　光った！感動だ！　


がしかし、なんとなく以前１２Vで直接点灯させたときより、暗いような。しかも、時々光が瞬きする。
不審に思い点灯中の電圧を測ったら。。。。7Vしか出ていない（泣）　
ちなみに入力側は約4V（アルカリ電池を使用したので結構電圧低下が大きい）

で、よくよく考えてみると、電流検出抵抗Rsenseの抵抗値を決定する際に、入力電圧6V以上と仮定して85mΩにしたんだっけ。　データシートを見る と、入力4Vを12Vまで昇圧するためにはRsenseの抵抗値を50mΩ程度まで下げる必要があるようです。
元々電源には7.2Vのニッケル水素電池を使用する予定ですが、放電末期には6Vくらいまで電圧が降下することが予想されます。そこでためしに６V安定化 電源に接続してみたところ、それでも出力は10Vくらいしか出ていないことが判明。　う〜む、Rsenseの抵抗値をもっと下げる必要がありそうです。 データシー トによると、入力６Vでは、Rsense＝75mΩで最大1A、50mΩで最大1.5Aとなっています。

そこで、54mΩの抵抗を作り直し、Rsenseを入れ替えたところ、入力5.5Vを11Vまで昇圧。それでもまだ12Vに達していない。　オシロスコー プで各信号波形をチェックしたところ、ICの電源にかなりノイズが乗っていた（MAX771の電源ピンは出力電圧監視入力を兼ねてい る）ので、ICのそばに電解コンデンサを追加したところ、出力は11.7Vになりました。これで、ほぼ完成かな。
発熱は、FETがやや熱くなりますが、それ以外の部品は発熱していないようです。ただし、HID側のバラストはすぐに触れないほど熱くなります。これは放 熱対策必須のようです。

6V入力時の効率を調べてみました。ただし、このときテスターが2個しかなかったので、4項目を同時に計れず、測定値はかなり怪 しいです。
　入力：5.92V　2.45A 　= 14.5W
　出力：11.7V　0.983A = 11.5W

出力電力／入力電力＝79%　　う〜ん、予想外に低い。MAX771のデータシートによると、入力6Vではほぼ90％になるはずなのに，，，どこかに問題 があるようだ。

まず、気になったのがチョークコイル。。そこで、世界の（？）amidon社のフェライトトロイダルコアを2種類買ってみたのがですが、どこをどう計算し ても、50μHで3A程度の電流を流 すと飽和磁束密度を越えてしまうことが判明。やっぱコイルの設計って難しいなぁ。つーか、市販の面実装用小型コイルってなんであんなに電流流せるのか なぁ。

フェライトコアは諦めて、現在使用しているコイルの銅線を0.8mmから1.0mmに太くして、巻き数を1.5倍にしてみました。直流抵抗実測20mΩ、 容量推定60μH。　これで、効率が82%にアップしました。でもまだ90%には程遠い．．．
なお、コイルの容量を大きくすると、電源投入時の出力電圧の立ち上がりが遅くなり、HIDの点灯に必要な高電圧が得られない可能性があります（DC/DC コンの出力側にもスイッチを入れれば良いのだけど）。実際、コイルの巻き数を増やしたところ、点灯時の挙動が不安定になりました。

動作中にFETが暖かくなることから、低効率の原因がFETにあるのかもしれません。日 立2SK2956はドレイン· ソースオン抵抗は十分に低いのですが、逆伝達容量やトータルゲートチャージ電荷量などのスイッチング性能はいまいちです。とりあえず、2SK2956より もスイッチング性能が高そうな東芝2SK2232を 買ってきたので換装してみました。両者の主なスペックの違いは以下のようになります。さらにかなり最新世代のFETである日立HAT2070Rを 入手したので、このスペックも併記してみました。なお、HAT2070Rは面実装パッケージ（SOP-8）なので、少しハンダ付けが面倒な のと、ICの リード足で放熱させる必要があるので基板レイアウトに注意が必要です。最新世代のパーツは個人ではなかなか買えなかったのですが，最近はチップワンストッ プ(個人利用は不可ですが)のような通販サイトが充実してきたので，HAT2198R（オン抵抗7.2mΩ，Qg=11nC）のような高性 能FETでも買えるようです。

品名	オン抵抗RDS	トータルゲート チャージQg	入力容量 Ciss	帰還 （逆伝達）容量 Crss	上昇時間ｔｒ／ 下降時間tf
日立2SK2956	7mオーム （Vgs=10V、Id=25A）	50nC程度 （明記されていないが 特性グラフより推定）	2000pF	350pF	330ns／ 190ns
東芝2SK2232	36mオーム （Vgs=10V、Id=12A）	38nC	1000pF	200pF	20ns／ 55ns
日立HAT2070R	11mオーム （Vgs=10V、Id=6A）	23nC	1400pF	190pF	18ns／ 9ns

一般にFETは世代が新しくなるほど、オン抵抗が低くかつ高速動作可ですが、同世代のFETの場合、オン抵抗を低くすると、どうしても動作速度は遅くなる ようです。そもそもこの回路の場合、50mΩ電流検出抵抗をつける必要があるので、FETのオン抵抗を低くしてもあまり意味がないようで、それよりもス イッチング性能を重視すべきですね。

さて、2SK2232に換装後に効率を確認してみました。
　入力：5.89V　2.31A 　= 13.60W
　出力：11.74V　0.983A(推定) = 11.54W

出力電力／入力電力＝85%（ただし、これも測定精度の疑問あり）　　となりました（出力電流は測っていないので前回測定値を使用）。　まだ90%に達し ていませんが、かなり改 善されました。

さらにHAT2070Rに換装し、測定精度を上げるためにテスターをもう一個購入し（Sanwa PC5000）,
測定してみました。
　入力： 5.98V　2.095A = 12.53W
　出力：11.77V　0.976A = 11.49W

効率は91.7%となり、ついに念願の90%を超えました。

チョークコイルがちょっと大きすぎるので別なコイルに変えてみることにしました。　イン ダクタ（コイル）はなかなか売られていないうえに、売られていても容量しか書かれておらず、許容電流や高周波特性が不明だったりとなかなか入手が難しいで す。とりあえず、通販サイトを探したところミツミのC13- FRシリーズと東光の D128Cシリーズが入手できそうです。どちらも300kHzのスイッチング周波数で問題なく使えそうです。スペックを比較すると以下のようにな ります。

メーカ・シリーズ名	容量（一部です）	直流抵抗	最大電流	通販サイト
ミツミ　C13-FR	22μH	35mΩ	4.9A	大和無線電機
	33μH	43mΩ	4.1A
	47μH	52mΩ	3.5A
東光　D128C	22μH	28.3mΩ	3.9A	光栄電子
	33μH	44.0mΩ	3.1A
	47μH	55.6mΩ	2.8A

条件等が違う可能性がありますので詳細はデータシート参照して下さい

近日中にどちらかを購入予定でしたが、秋葉原の千石電子と鈴商でインダクタを買ってき た（メーカ、品番は失念）のでそれを試してみました。　その結果、千石電子で購入したインダクタでも90%以上の効率を確認できました。

部品の選定がほぼ終わったので、基板の最終バージョン？を作成しました。HID球をφ35mmのアルミパイプに入れるので、それ に合わせて基板も円形にしてみました。

FETはHAT2070Rをハンダ面に実装予定	エッチングが面倒だったので、カッターとルータで削って作成しました。

ショットキーバリアダイオードがコイルの影になり写っていません。

当初の予定では低電圧検出回路も同じ基板に実装する予定でした、さすがに無理でした。これは別基板にすることにします。

上記の回路図も書き直そうと思っているのですが、ディスククラッシュの影響でPowerPointで作成した元絵が消失してしま い、書き直す気が起きない よ


DC-DCコンを用いたライトでは、バッテリーの過放電の危険があるので（放電末期まで明るさが変わらないので）、低電圧検出回路をつけようかと思ってい ます。そこで、リファレンス電圧付きコンパレータ（リニアテクノロジーLTC1440） を購入しました（リニアテクノロジーのオンライン購入）。バッテリーの電圧が低下したら警告ランプ（LED）が光るようにしようかと思っています。

電流検出抵抗のリアクタンスの影響なのか、５V入力時に出力が11.2Vまで低下してしまいます。MAX771のFB端子に抵抗を接続して出力設定電圧を 12.5Vまであげてみましたが、やはり入力が5V付近で電圧低下を起こしてしまいます。そこで、もう少し抵抗値の小さい抵抗を作成しています。