カメラ・フラッシュ用昇圧回路

■問題

【 LT3468 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，フラッシュ用コンデンサを充電するIC(LT3468)を使用した，カメラ・フラッシュ用の昇圧回路です．図1の回路において「L₁=20μH，OUT端子の電圧(V_OUT)=313V」の場合，L₂のインダクタンス(μH)は(a)～(d)のどれでしょうか．
　ただし，LT3468のデータシートより，昇圧トランスの1次側コイル(L₁)と2次側コイル(L₂)の巻き数比(N)は式1で計算します．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

図1　LT3468を使用したカメラ・フラッシュ用の昇圧回路
「L₁=20μH，V_OUT=313V」の場合，L₂のインダクタンスは？

(a) 2μH　(b) 63μH　(c) 200μH　(d) 2000μH

■ヒント

　昇圧トランスの巻き数比は，式1を使用することで簡単に計算できます．図1のL₁とL₂はトランスとして動作し，結合係数は1となっています．トランスの巻き数比が式1で計算した値となる，L₂のインダクタンスの値を計算してください．

■解答

(d) 2000μH

　式1から，巻き数比はN=(313+2)/31.5=10となります．そして，コイルのインダクタンスは巻き数の2乗に比例します．そのため，巻き数比が10の場合，インダクタンスは「10²=100倍」となります． L₁が20μHなので，L₂は2000μHとなります．

■解説

●カメラ用フラッシュ・ランプの構造
　図2は，カメラ用ラッシュ・ランプの構造の模式図です．円筒形のガラス管の中にキセノン・ガスが封入されており，両端にアノード電極とカソード電極が取り付けられています．そして円筒の周囲にトリガ用の電極が取り付けられています．

図2　カメラ用ラッシュ・ランプの構造の模式図
アノード電極とカソード電極に充電されたコンデンサを接続し，トリガ電圧により発光させる．

　使用方法は，アノード電極とカソード電極に300V程度に充電されたコンデンサを接続し，発光させるタイミングで，トリガ電極に数千ボルトの電圧を印加します．すると，トリガ電圧により，ガラス管内部のキセノン・ガスがイオン化し，アノードからカソードに瞬間的に大電流が流れ，発光します．

●カメラ用フラッシュ・ランプの駆動回路
　図3は，カメラ用フラッシュ・ランプの駆動回路です．LT3468により，C₁を300V程度に充電した後，TRIGGER信号でIGBTをONさせると，トリガ用昇圧トランスが高電圧のTRIGGER信号を発生させ，フラッシュ・ランプを発光させます．

図3　カメラ用ラッシュ・ランプの駆動回路
C₁を300V程度に充電した後，TRIGGER信号でIGBTをONさせると発光する．

●トランスの巻き数比とインダクタンスの関係
　LT3468は，昇圧トランスを使用していますが，LTspiceでトランスを含む回路をシミュレーションする場合，トランスの巻き数比は2つのコイルのインダクタンスの比として記述します．
　コイルは，導体を巻いたものですが，そのインダクタンスは巻き数(n)の2乗に比例します．図1の昇圧トランスの1次側コイルのインダクタンスをL₁とし，その巻き数をn₁とすると，その関係は比例係数kを使用して，式2のように表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　同様に，2次側コイルのインダクタンスをL₂とし，その巻き数をn₂とすると式3になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　2式と3式からL₁とL₂の比を求めると，式4になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　コイルの巻き数比をNとすると，式4を変形して，式5のようにL₂の値を求めることができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　図1の回路でV_OUT=313Vとするための昇圧トランスの巻き数比Nは，式6のように10となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　L₁を20μHとすると，L₂は式7のように2000μHになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

●LT3468の内部ブロック図と動作
　図4は，LT3468のデータシートに記載されている内部ブロック図です．LT3468は，昇圧トランスをスイッチングすることで昇圧し，コンデンサを充電します．このブロック図を使用して，動作の概要を説明します．

図4　LT3468のデータシートに記載されている内部ブロック図
スイッチ・トランジスタQ₁をON/OFFさせて昇圧動作を行う．

　CHARGE端子をハイレベルにすると，スイッチ・トランジスタQ₁がONし，昇圧トランスの1次側コイルに電流が流れます．すると，コイルの電流は直線的に増加していきます．この電流を電流検出抵抗で検出し，一定値以上になると，Q₁をOFFします．すると，電流を流し続けようとするコイルの性質により，Q₁がOFFした瞬間にSW端子の電圧が跳ね上がり，電源電圧よりも高くなります．このとき，TO点には，SW端子の電圧をトランスの巻き数比倍した電圧が発生し，2次側コイルに電流が流れて，出力コンデンサを充電します．コンデンサの充電が進み，2次側コイルの電流が0になると，SW端子の電圧は低下しますが，一定値以上低下したことを検出すると，再びQ₁をONさせる，ということを繰り返します．

●LT3468の特長
　Q₁のON/OFFを繰り返していくと，SW端子のピーク電圧は，出力コンデンサのチャージ電圧に合わせて徐々に上昇していきます．「SW端子電圧検出回路」により，SW端子の電圧が電源電圧よりも31.5V以上高くなったことを検出すると，昇圧動作を停止します．このように，2次側電圧ではなく，1次側電圧で出力コンデンサの充電完了を検知するのが，LT3468の特長の1つです．

●昇圧回路の動作を確認する
　図5は，図1の回路にL₂の値を入れた昇圧動作をシミュレーションする回路です．昇圧トランスの巻き数比Nが10となるように，L₂のインダクタンスの値は，L₁のインダクタンスの10²倍としています．

図5　図1の昇圧動作をシミュレーションで確認する回路
L₂のインダクタンスの値は，L₁のインダクタンスの10²倍としている．

　図6は，図5のシミュレーション結果です．

図6　図5の昇圧動作のシミュレーション結果
SW点の昇圧電圧を，昇圧トランスでさらに昇圧し，C₁を315Vまで充電する．

　上段がSW点の電圧波形です．SW点のピーク電圧は徐々に大きくなっていき，SW点の電圧が36.5V(電源電圧+31.5V)になると，昇圧動作を停止しています．
　下段が，TO点とOUT点の電圧波形です．昇圧トランスの2次側のTO点には，SW点の電圧をコイルの巻き数比倍にした電圧が現れます．SW点の電圧はダイオードD1で整流され，OUT点には昇圧された直流電圧が出力されています．
　つまり，コンデンサC₁は昇圧された電圧でチャージされます．図6ではC₁の最終電圧は315V程度となっています．

●LT3468のスイッチング動作を確認する
　図7は，図5の回路のSWとL₁，L₂のシミュレーション結果の時間軸を拡大し，LT3468のスイッチング動作を確認するためのものです．

図7　時間軸を拡大した昇圧動作のシミュレーション結果
L₁の電流は直線的に増加し，その電流が1.2Aに達するとSW点の電圧は立ち上がる．

　上段がSW点の電圧波形で，中段がL₁の電流波形，下段がL₂の電流波形です．昇圧開始直後の40μs～100μs(図7：左半分)と，昇圧完了時の2.59ms～2.65ms(図7：右半分)の波形を表示しています．
　L₁の電流は直線的に増加しており，その電流が1.2Aに達すると，IC内部のスイッチ・トランジスタがOFFするため，SW点の電圧は立ち上がっています．
　次にL₂に電流が流れ，その電流が0になると，SW点の電圧は立下ります．SW点がローレベルになっている時間(L₁に電流が流れている時間)は常に一定ですが，時間の経過とともに，SW点がハイ・レベルになっている時間は短くなっていき，SW点の電圧は上昇しています．
　以上，カメラ・フラッシュ用昇圧回路ICのLT3468について解説しました．カメラ・フラッシュ用昇圧回路については，「アプリケーションノート95：携帯電話/カメラのフラッシュ照射用のシンプルな回路」に詳しく解説されています．また，一般的な昇圧回路に関しての情報は，「LTspice電源＆アナログ回路入門：昇圧スイッチング電源の基礎」を参照してください．

◆参考・引用*文献
アナログ・デバイセズ：LT3468のデータシート

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_009.zip

●データ・ファイル内容
LT3468.asc：図5の回路
LT3468.plt：図6のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル