BUCK-BOOST回路設計に関するいくつかの問題

設計思想:
USBに入力された20Vの電圧を、LM5175PWPRを通じて5~30Vに降圧(出力電圧はR40の可変抵抗でフィードバックネットワークを調整し制御)します。電流・電圧検出回路から得たデータをSTM32のADCピンに入力し、MCUが処理した後にOLED画面に数値を表示します。また、サーミスタによる温度検出を行い、PWMでファンの回転数を制御します。

問題点:

  1. 電流・電圧検出回路の設計は適切か?
  2. LM5175PWPRの設計(デバイスのパラメータおよび回路構成)は適切か?

これは、私が以前オープンソースで公開したbuck-boostデジタル電源プロジェクトを、普通のアナログ制御のbuck-boost電源に変更するということですか?マイコンは電流・電圧のサンプリングだけを行う?
それなら、STM32G474を使うのは少しだけ無駄がある気がします。

はい、あなたのオープンソースプロジェクトを参考にしています。業界に入ったばかりの初心者が遊び半分でやっているだけです :grinning_face_with_smiling_eyes:

ようこそ、電子工作の沼へ!上の方のzeruns氏が言っている通り、高精度タイマーやミックスド・シグナル処理に特化した「神U」STM32G474を、純粋なアナログフィードバック付き補助ディスプレイ用途に使うのは、「大砲で蚊を撃つ」(=やりすぎ)感がありますね :joy:。ただ、初心者が練習するには、ハードウェアリソースが余るくらいの方がむしろ安心です。それに、この基板の素性は非常に良いので、将来スキルアップした際にそのまま全デジタル電源(デジタルループ制御)の研究にも活用でき、新しく基板を再設計する必要もありません。

あなたの2つの質問について、簡単にアドバイスをさせていただきます:

1. 電流・電圧検出回路は妥当か?

  • 電圧検出: 非常に標準的で適切です。90kΩ (R46) と10kΩ (R47) の抵抗で分圧しており、分圧比は1:10になっています。設計上の最大出力電圧は30Vなので、分圧後のMCU入力電圧は3Vとなり、STM32の3.3V ADC安全範囲内に収まっており、非常に合理的です。

    • 改善提案: ADCピンに並列接続されているフィルタ用コンデンサC35は100pFのようですが、低周波サンプリングでは少し小さすぎます。1nFまたは10nF程度に変更するとよいでしょう。これに加えてMCU側のソフトウェアで移動平均フィルタをかけることで、OLEDに表示される電圧値がずっと安定し、数値が激しく跳ねることを防げます。
  • 電流検出: INA280のような専用ハイサイド電流検出アンプを使用しており、信頼性の高い設計です。オペアンプを使って自作するよりもはるかに楽で安心できます。

    • 注意点(落とし穴回避): 回路図自体に問題はありませんが、PCBレイアウト 時には特に注意が必要です!シャント抵抗(図中のR44)からINA280の入力端子までの配線は、ケルビン接続(Kelvin connection)を厳密に守る必要があります。つまり、シャント抵抗の両端のパッド内側からそれぞれ独立した差動ラインをチップまで引き、絶対にパワーGND面に直接広く接続しないようにしてください。さもないと、大電流がGND平面を流れる際の電圧降下の影響を受け、測定値が大きくずれてしまいます。

2. LM5175PWPRの設計は妥当か?

  • 全体構成は成熟した設計を参考にしており、周辺部品の選定やMOSFETの選択も、5-30V出力という一般的な用途であれば問題ありません。

  • ポテンショメータによる電圧調整について(重大な注意): R40の可変抵抗器でフィードバックネットワークを調整するとありますが、スイッチング電源において、機械式ポテンショメータを直接FB(フィードバック)ピンに接続するのはリスクがあります。長期間使用や回転中に、瞬間的な接触不良(一時的なオープン状態) が発生しやすいからです。

    • 図を見る限り、R40とR38が直列に接続され、FBの下側バイアスとしてGNDに落ちています。これは幸運な設計です——R40が一時的に接触不良になってオープン状態になっても、FBピンは出力電圧側に引き上げられ、LM5175は即座に出力を停止(出力0V)するため、危険な状態にはなりません。
    • (参考知識:もしポテンショメータが上側バイアスに配置されていた場合、接触不良によりFB電圧が0Vになると、ICは「出力がない」と誤認識し、最大デューティーで動作してしまい、出力電圧が急上昇、負荷機器を瞬時に焼損させる可能性があります)。
  • 本当の難関は配線(Layout): LM5175のような4-MOSFET同期整流Buck-Boostコントローラは、PCBレイアウト能力が極めて重要です。回路図が正しくても、成功の30%に過ぎません。パワーループの面積は最小限に抑え、入出力フィルタコンデンサは2組のMOSFETにできるだけ近接して配置すること。また、LM5175自身の電流検出抵抗への配線も、差動かつ等長配線であることが必須です。

まとめ:
初心者向けの練習プロジェクトとしては、設計思想も明確で、回路図もしっかりしています。自信を持って基板製作に進んでください。まずはアナログループを安定稼働させ、DCDC回路のハードウェアデバッグ経験を積みましょう。その後、STM32G474の性能を段階的にフルに活用していくことができます。頑張ってください!完成した実物の通電成功を楽しみにしています!

わかりました、アドバイスをありがとうございます。

お偉いさん、こんにちは。PCBの設計が完了したのですが、問題がないか見ていただけませんか?特にアナログGND、パワーグラウンド、デジタルGNDの分割方法がよくわからず悩んでいます。どうかご指導をお願いいたします :handshake:

ツッコミどころが多すぎてどこから言い始めたらいいか分からない。この銅の敷設、まるで全部つながっているように見えるんだけど。

パワーグラウンドとアナロググラウンドのそれらのラインには、銅張りを行っていませんでした :disappointed_face: