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今夏も札内川園地キャンプ場

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到着したのは7月4日 天気は雨。雨の合間を縫って設営。
途中の道端で摘んできた"こごみ"をさっそくさっと茹でてポン酢で北海道の恵みをいただく。
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TC10C 同期整流方式走行充電試作V0.10

ちょっとしたトラブルがありましたが、問題なく複数の試作を重ね何とか北海道へのテスト走行が出来そうです。TC10C_V010_00_1280.jpg
設定はWP20-12並列接続40AH。0.3C充電で12.0A、14.5Vとします。12.0Aではファンは不要ですが接続はしておきます。サブバッテリプロテクタは基板がコントロールボックス内で配線引き回しが面倒なので接続しません。

TC10E_PWBREV00_00_1280.jpg
ほっと一段落? TC10EのPWBが仕上がってきたLTC3780EGも入手できたので手半田で取り付けました。PWBは問題なさそう?試作は早くても9月以降になります。
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TC10C ほぼ開発完了 完成間近

tc10c_011.jpg

何とかプリント基板も2作目で仕上がった。中央に見えるICがLM5106MMハーフブリッジゲートドライバー ピン間隔が0.5mmピッチとなり、手作業半田付けは習熟が必要かもしれない。せめて1ミリピッチのICがあれば楽なのですが。慣れれば早く終わる。TC10Bより部品点数が多く半田付け作業は倍くらいかかる。私の場合電源投入迄6時間くらいかかってしまった。
tc10c_boad00.jpg

tc10c_20180621_480.jpg
これでMC34063Aを使った走行充電器の最終版がほぼ完成した。
TC10Bと性能的には同じですが、内部的により完成度を上げたものを目標としています。

TC10Bのスイッチングドライバーはトランジスタですが、TC10CではハーフブリッジゲートドライバーICを採用2スイッチングの同期整流方式。高効率、低リップルを狙ったものです。効率は12.5V入力14.0V出力10Aで97%で2%程度向上しています。

起動時やリセット時のソフト起動の為に追加回路、関連してPIC16F1705のポート不足となりシングルオペアンプ追加。

低電圧遮断回路(サブバッテリープロテクタ)は
基板内は信号処理のみでパワーFETや配線などは基板外とし、パワーFETを並列接続するなどにより大電力100A以上にも対応可能となる。

電流検出回路を電流センサIC、検出抵抗の変更。

ブザーをソケット取付基板内蔵、音量も適量に調整しました。

入出力端子を基板取付金具とし、圧着丸端子ケーブル接続を確実、容易としました。

インダクタを小型化しました。LF102Bパッチンコア採用、基板の全高さを30mm以内に収めました。実力はLF130Bには劣るものの最大出力16Aでの使用もファン接続により対応可能としました。

待機時消費電流は6.5mAとTC10Bと同じですが長期不使用の場合などの為POWER-SWを設けました。

以上の配線図など全ての詳細を共同開発者のZero氏にも了解いただきHPに公開。掲載しました。


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TC10B-Rev05の接続図

 setup_ex01.jpg
TC10B Rev05基板は入出力端子を基板用金具としました。丸端子がしっかり接続できます。
ショットキーバリアダイオードの放熱をアルミ板直付け、サブバッテリプロテクターのパワーFETは外付け(基板内蔵しない)としました。他配置変更以外、回路は同一です。放熱対策、1.6φインダクタ等16A対応としました
TC10Bの最終基板です。
TC10B_Rev05_00.jpg
Ver3.03 は16A設定可能(Rec04以前は使用部品一部変更改造が必要です)
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| 電流制御昇圧型走行充電・TC10B | 11:45 | comments:0 | trackbacks:0 | TOP↑

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2018年夏 今年も


お一人様フェリーを予約しました。新潟発の特割で、7月2日夕方苫小牧東港到着します。

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LF102B インダクタ

パッチンコア LF102Bを使ったインダクタを作ります。
1.2mmポリエステル銅線を画像の様に9回通過させます。角部は折れ目をつける感じで丁寧に巻いていく。綺麗に仕上げるにはコツはあると思いますが、私は下手な部類です。

左右巻方向に注意。画像下のpwbは手持ちSOP-8-1.27用の変換基板で厚さが丁度1.0㎜でしたのでニッパーで4枚にカットしギャップスペーサーとして使いました。あとは2液混合のエポキシ接着剤で接着します。動かない様に輪ゴムで縛ります。
仕上がりの重量は35g。約7.5uH

結果的にはLF102Bにおいて 1.2φ銅線を9T内径に均等巻き出来る限界です。
DSC_0077.jpg
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PWB作成演習 TC10E

TC10Cが完成していないのにTC10Eとは移り気なといわれそうですがZero氏から頂いたLTC3780を使う走行充電器のPWBを描いた。LTC3780は完成された昇降圧ICで、フルブリッジゲートドライバーも内蔵しフルブリッジ同期整流を実現し外部に何も付加しなくても昇降圧充電器などが出来てしまう。大電流ショットキDやQ1さえも省略できる。
LTC3780DCDCコンバータは中華製基盤がAmazonなどで安価に販売されていますが、そのまま走行充電器には使えない。各種の制御機能や保護機能も必要になる。その為に従来と同じPIC16F1705を採用する。操作表示もTC10Bと同じ。
 tc10ekr00-silktop00.jpg
部品面シルクとパターン
左側がSGND右側がPGNDほぼLTC3780の真ん中で左右に分割した。アプリケーションノートには推奨パターンが掲載されているので出来る限り忠実に従った。今迄当たり前の様に採用してきたACCSWなどの制御の為のパワーFETが廃止出来るので入出力端子などが対照的に配置が可能となる。
  tc10e-kr00-btm00.jpg
部品面から透視した半田面パターンである。LTC3780の真ん中1-12ピン側と13-24ピン側に分かれる。7番と17番で最終的にはGNDラインが接続される。LTC3780はSSOP-24-0.65パッケージを採用する。LM5106MMの0.5mmピッチより多少手作業半田付けは楽に成る。
 tc10e-r00-okr00.jpg 
完成したPWB。U1上部の左右を横断するパターンは念の為接続用GNDを入れたが不要かもしれない。というかあるとまずい事になるかもしれない。
筐体GNDは左隅ネジ止め1ケ所とする。I2C通信への影響を考慮したつもりである。昔真空管式アンプで自作した入力側1点アースはこんな感じだった。
試作は何時になるか分かりませんが練習がてらPWBの準備はしておく。

それにしてもLTC3780は高価なICである。10ケ単位で@1000円程度。AliExpresでも10個35$程。これ1個でほぼ完結するので部品点数は少ない。

部品が少ないのはミスがそれだけ少なくなり、再現性も高くなる。他に高価な部品はフルブリッジを構成する超低オン抵抗のFETが4個必要なくらいである。

最大のメリットは昇降圧自在で高電圧ソーラーと12v、24vオルタネータが入力電源として使える事。
 

| TC10E | 21:03 | comments:2 | trackbacks:0 | TOP↑

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SSOP-10-0.5 手作業半田付け

P1280065.jpg
位置合わせ
LM5106MM.jpg

LM5106MMはSSOP-10-0.5タイプで線間ピッチが0.5mmしかありませんパターン間隔はわづか0.23㎜です。
キット製品でもチップ部品はあらかじめ半田付けされた状態でのキットが殆どです。
でもやりがいはあり、成功の実感を味わえます。
口で説明するのは難しいですが

使用するものは
半田ごては温度調節可能な先丸極細タイプ370℃高め。半田は0.3mm細いものが作業がしやすい。
フラックス、半田吸い取り線。コテ先はナイフ型、楕円型が良いと思いますが今回先細タイプを使用しました。

① ルーペ等を使って正確に位置合わせし逆ピンセットで基板と固定(セロテープ固定でも?)
② 半田付け部に多めにフラックスを塗布(薄くではなく)
③ コテサキに半田を付ける
④ 半田を補給しながら半田付け部に塗っていく(仮固定)逆ピンセットを外す。
 1本づつではなくこの時は端子間はつながっている、1-5ピンに半田をショート状態に適当に置く感じ。
⑤ 基板を傾けながらコテ先を1-5ピンに同時に充てて外方向になぞって余分な半田をコテに吸わせる。
表面張力でピン間の半田は途切れてピン毎のタッチは除かれる。
<フラックスと半田ヤニの表面張力を利用する><温度が低いと芋付け状にになりハンダを引けない>
⑥ ルーペで確認しタッチしていればさらにフラックスを縫ってコテ先でなぞり吸わせる。
⑦ うまくいかなければ吸取り線でいったん全部半田を除去し、
フラックス洗浄剤できれいにして ②からやり直す。
⑧ 最後に洗浄剤で洗浄する。

0.5ピッチ難しいです。1.27ピッチだと1本づつ半田が出来ます。製品化するなら0.5ピッチは有効です。U1もSOP-8-1.27タイプなどにすればよかったかも。

逆ピンセットで挟むとICの片方が浮く場合がある。最初半田を置くときしっかり基板に密着する様にする。

Youtubeで検索すると表面実装半田作業はたくさん動画がアップされています。

半田付け作業が容易く行えるかどうかはPWBパターンの端子ランド空の引き出いラインが規定に従っているかどうかが大きな要因となる。つい、横に引いたりするのは半田が途切れて失敗し、何度もなぞらなければならない理由となる。

今回は横引きラインは無いので上手くいった。
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TC10C_Rev01

何度描いてもなかなか上達しない。試作したTC10C_Rev00ではパターンミスがあり、これはRev01の修正版。これも細部でミスがあるがほぼTC10C最終版。(仕様はこちら) 以下画像は6/2差替え
TC10C_V01_silk.jpg
PCBEでトップシルクのみ表示したもの

TC10C_V01_TOP01.jpg
部品面視

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半田面 部品面から大電流部パターンを透視したもの。大電流部を片側に集中短距離配置した。白い部分はレジスト部銅線ハンダ沿着による大電流強化する。
半田面GNDも部品面同様SGNDとPGNDは分離し、中央付近で接続した。


今回のポイントは、
  • 大電流部を集中配置し、パターンを最短距離としたこと。
  • 信号GNDと電力GNDを分離した。
  • 極力各パーツ毎整列させた事。CRなどランドを大きめに手半田しやすくした。
  • 部品番号で統一し、ピンアサインもわかりやすく標記した。
  • 表裏スルーホールは大きめに、表裏にレジストを入れた。
  • PWSW、RSTSW、チェック用LEDも入れた。
  • L1インダクタはLF130BからLF102Bに変更したがLF130Bも搭載は可能とした。
  • 減電圧遮断FETは100A等大電力対応の為外付けとした。(サブバッテリプロテクター)
  • ブザーはピンソケット端子を設置し基板内蔵(着脱可)とした。
  • 電流検知抵抗の精度向上の為目印シルク線を入れた。
  • ゲートドライバーICはSSOP-10-0.5となり、半田付難易度が高くなった。
  • TC10Bの修正もあり部品点数は増加した。
  • AQM802A液晶表示操作基板は共通とした。
今回ハーフブリッジゲートドライバーICを導入した。新しい設計なのかSOP10-0.5サイズ、初のピン間0.5mmピッチ。手半田は多少慣れ、コツがいるが、始めて使用した試作では慎重に、もちろんヘッドルーペ着用し深呼吸でもしてやればなんとかなると思った。チップが超小型なのでトランジスタドライブとそれほど面積は取らない。
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| TC10C 同期整流方式走行充電 | 23:29 | comments:2 | trackbacks:0 | TOP↑

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TC10C 同期整流方式走行充電試作

TC10C 試作1号機 10A級PIC版走行充電器の3作目。

JLCPCBに発注したPWBはDHL便で約1週間で到着した。誤パターンが1ケ所ありカットと追加リード線が必要となった。何とかZERO氏指導の元ですが、動作までマル1日以上かかったが何とか成功した模様。

tc10c_full1665.jpg
PIC制御マニュアルモードで最大出力付近での動作確認。中央のICはDIPのMC34063Aその下がハーフブリッジゲートドライバー

TC30A/Bは開発を中止しましたが、今回のTC10C開発により並列接続で30Aオーバー達成をもくろんでいます。
TC10Bより高性能という訳ではないが、
同期整流方式により最大の発熱源であった大容量ショットキーバリアダイオードがなくなったので今回の同期整流方式では電流検出のチップ抵抗が最大の発熱源となる。出力リップルが大幅に低減できる。合わせて不要輻射も低減できる。

効率も測定結果1%以上良くなった。特に大電流域は2%以上も改善されている。

しかし、TC10Bの設置時ダッシュ電流の改善などもあるが回路が複雑化し、コストアップは電流検出ICを変更するなどコストダウンに努め、部品コストは少しのアップで済む模様。
TC10Bから変更した主要部品はLF130B→LF102B LTC6106→ZXCT1008 LM5106MM追加 LM321追加

回路構成はDCDCコンバータチップに従来通りMC34063Aを使う。効率アップの為にハーフブリッジゲートドライバーICを導入する。表示操作基板はTC10Bと共通とした。
lf130b_102b_8uH.jpg
右側がLF102Bで今回使用したもので1.2mmポリエステル銅線9t 約8uH。左側が今まで使ってきたLF130Bで比較すると巨大さが解る。いずれもノイズフィルターに使用するパッチンコアである。LF130Bには1.6㎜銅線を巻いたものである。

コアの基板装着高さ21.3mmに対して17.8mm 重量は75gに対し23g 
3mmアルミベース付基板とした場合に厚さ(高さ)は丁度30mmとなった。送料基準の3センチに強引ではあるが収める事も出来そうである。

インダクタの作り方は
左右分割コアにそれぞれ巻いて、ギャップは1mmのPWB切れ端を挟んで2液混合のエポキシ接着剤を使用し輪ゴム縛って固着させる。

パッチンコアを使用する理由はコアギャップが確保、調整出来る事。銅線を通す内径が細い為LF130Bの様に巨大化する。しかし何といってもローコストな事。本来はトロイダルコアamidon T114-#67、T140-#67あたりになるがコストは800円から1000円以上。
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| TC10C 同期整流方式走行充電 | 16:46 | comments:2 | trackbacks:0 | TOP↑

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TC10C 開発コンセプト

TC10B開発から約1年になります。TC10Bはほぼ問題なく安定動作していますが、TC10Bの改良点やさらに高性能化を図りTC10Bの最終版を作る事を目的としています。

また、TC30A/B/Cのハイパワー開発は中止しましたのでその目的である大電流化についてはTC10Cの複数並列運転で実現します。

① パワーアップはしないでMAX15A程度として、低発熱、高効率回路を採用する。
ハーフブリッジゲートドライバー採用による同期整流方式の採用。
リップルの低減。 効率94%→97%へアップ、
低発熱→大容量ショットキーダイオード(6W以上)不要な為。
低発熱→電流検出チップ抵抗の小さく、W数増、放熱処理追加

ハーフブリッジ同期整流方式コンバーターなど他方式比較PDFファイル

② リセット時、接続時などに突入大電流が流れない様に回路変更する。
回路は使用部品増で多少複雑化する。

③ 基本的にサブバッテリプロテクタのオンオフ用ハイパワーFETは外部接続として内蔵しない。
100AクラスのオンオフはパワーFET内蔵には無理がある為。2P制御用出力ソケットを装備する

④ 入出力端子を
基板取付金具に変更し、丸形端子の接続を容易にする。

インダクタの小型化を図る。

⑥ 長期不使用等の待機電流ゼロ化などの為、PowerSWを装備する。

⑦ PWBのパターン最適化を図る

⑧ ブザー音量の低減。(大音量であった為)、基板内装着可能、延長も可能とした。

⑨ 放熱方法の変更。サーマルパッドを使用するQ1は基板外放熱とする。

上記は開発進行状況により都度変更があると思われます。

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TC10B PWB 最適化

 4/29にTC10B最終PWBを発注したばかりなのだが、不満が残る。

正直言ってDCDCコンバータはノイズの多いもの。どうせ最適化と言っても実際のプリントパターンでの実現は難しいと深く考えずに描いてきました。TC10Bの次期開発品においてはノイズが少なく、効率も良く、発熱も少ないものをと思っていますが、その場合の練習もかねてTC10BのPWBパターンを改良し描いてみました。

TC10B_PLUSV00_01.jpg
ボトムグランドパターンと大電流ラインパターンです。ブルーのパターンはレジスト処理半田可能な部分、大電流が流れる部分で、電線を沿着強化します。
凡そ上半分がパワー系グランドになり、下半分が信号系グランドになります。上下のグランドを分離しています。大電流部のノイズが信号レベルに影響のない様にという考え方からこの様なパターンとする。最終的にはグランドレベルと言っても電位的には同電位とする為中央付近でトップ側グランドと5個のスルーホールで集中接続されます。

また、基板グランドとアルミ放熱板は右下信号部の1ケ所ネジ止め部で集中アースとします。ノイズ成分はここで収納筐体に接続されます。

トップグランドパターンにおいても同様にパワーグランドとシグナルグランドは上下分離されています。この様なパターンがどれほど効果があるかは計測結果で検証しなければなりません。

今回見直した所は
電圧帰還ライン、電流検出ライン、制御ライン、その他帰還ラインも大電力スイッチングノイズの影響を可能な範囲で考慮したパターンとしました。ここでは大型インダクタが邪魔をする事になります。

樹脂端子台ではなく今回採用した基板用ネジ端子もパターン設計には有効なものです。端子金具そのものも放熱にも有利です。電極最短接続レイアウトも考慮します。

TC10B_PLUSV00_00.jpg
トップシルクですがボトムレジストを透かして見たものです。

教科書的には通常大電流ラインはトップレイアウトとするのが常識的の様ですが一般的な36ミクロンの銅箔に20A近くの大電流を流すと線幅、面積を取ったとしても発熱焼損の恐れがあります。従ってアマチュア的には大電流パターンはボトムとし、銅線での電流容量の確保は必須です。基板温度を下げる長寿命化にも貢献します。

もちろんこの様な手法がプロ的には通用しないとは思います。基板で大電流を実現する為の技術は銅板とガラエポ基板を合体したものなどが既に開発されています。さらなる開発はEVなどのカーエレクトロニクスで急速に進歩しているようですが、高コストとなり単品試作、小ロット製作には向きません。あくまでアマチュアとして採用するには多額の費用がかかり簡単に実現できるものではありません。銅板配線も有効ですが加工は大変です。

発熱が予想される部品はより低オン抵抗のものなど性能の良いものを選択すれば発熱対策の楽は成ります。発熱が少ない=損失が少ない はより高効率となります。もちろん回路的には高効率なものを採用すべきですが、アマチュア的には再現性に優れたものというのも必要なポイントです。

また、パワーFETや整流用ショットキーバリアダイオードなどの発熱処理も裏面に置いた方が放熱処理が楽にできる様になります。あくまでアマチュア的発想ですが、SLエブリイホームメイドキャンパーでの走行充電基板は一貫してこの方法を採用しています。

最適化とまでは到底言えないですが重要部分の改良を施しました。

近日中に検証してみたいと思います。予想としては何も目立った事は起きない!と思われます。

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TC10B PWBの変更最終版

変更内容は
①入出力端子を基板端子金具に変更
②D5 MBR6045WTを基板枠内又は基板外取付も可能とした
③ブザーを基板内取付又は外付け可能とした
④基板サイズを20%縮小した。
⑤電流検出抵抗を10mΩ2個、又は5mΩ7W1個いずれでも使えるようにした
⑥電流検出ポイントパターンを最適化した。

tc10b_pwbRev05_01.jpg
大きく変わったのは 端子台、ショットキーバリアダイオード、ブザー内蔵
tc10b_pwbRev05_02.jpg
ショットキーバリアダイオードは基板内に取付しても問題は無いが外付とすると基板温度が低下、電解コンレス仕様と相まってより長寿命化が図れる。中央に見えるアルミ板は10mΩ3Wに0.8㎜アルミ放熱板を取付けしたものです。
PWBが届いて見直してみるとSUB端子だけがそっぽ向いていて違和感が残る。

以上の変更により、改善されるのは
① より大電流用丸端子が接続しやすくなる。ネジ止め時グラツキが無い為しっかり締められる。
② 最大熱源となるMBR6045WTの外付けにより基板温度の低下。長寿命化。
③ 利便性向上
⑤ 大電流時温度上昇の抑制
⑥ 精度アップ。

モニタ販売はTC10Bと区別し、U1をMC34063A、L1を7T1.6φ8.4uH、R12は5mΩ7W、D5基板外付、サブバッテリプロテクタFETQ6は基盤外とします。型名はTC10B_Plusとします(予定)

従来のTC10BはRev04迄とし、Q6のバッテリプロテクタ(低電圧遮断)は内蔵したものとします。在庫限りです。
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TC10B 最終改良パワーアップ

TC10B REV04 積層セラミック仕様 Ct 120P MC34063API HTC製 測定データ 
入出力を負荷抵抗-電流計で帰還接続して測定

入力電圧
入力電流出力電流出力電圧SW周波数効率%
12.5 0.14 2.0312.999.596.5
12.51.6910.114.0208.395.9
12.52.8613.0214.5231.695.1
12.54.22 15.0215.00266.993.7

備考: 120PFでは振動スパイクあり、DAC"FF"で0.00A NJM2360ADと差替え可能
SW周波数は逆に下げる方向で検討する。Ct 220PF前後が最適でPWM波形に近くなり効率も1%程度上昇、発熱も抑えられる。結果15A連続運転も可能になる。上記入力電圧は初期設定のままなので大電流域では実際はもっと効率は高い。

MC34063API01_1280.jpg MC34063API02_1280.jpg 
NJM2360ADでスイッチング周波数が予測通り上がらず難航していたTC30Aでも解決するかもしれない。
互換があると思ってはいたが詳細のデータ取得はしていなかった。それぞれセカンドソースにおいて違いがあり、気に留めてもいなかったがスイッチング波形に違いがある。動作点も各社違う。何より発信周波数がこれ程違うとは。!
NJM2360ADが80KHzとすると同じCtでも3倍程も違う。

差替え可能ではあるがTC10BではNJM2360ADと動作点の違いがあり較正が必要です。また、上記の様にタイミングコンデンサーも変更が必要である。SW周波数の最適化により性能アップが見込まれる。15Aで5分程テストしたが発熱が少なくなった。最大充電電流アップも目途が付いた。TC10B並列接続により30Aもクリアできそうである。


追記:
TC10B 上記パワーアップに伴いソフトウェアVer3.04リリースしました。最大充電電流13A出会ったものを16Aまで拡大しました。基板を返送いただきMC34063A HTCに変更CTも変更、較正し直す必要があります。費用は送料別で1000円程度とします。お問合せ下さい。

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TC30A/B 開発中止

 残念なお知らせをしなければなりません。
TC30A/B 30A級走行充電の開発を進めてまいりましたが、中止致します。

中止理由は30Aという数字は考えていた以上の予想を上回るレベルで、各パワー素子の発熱、回路基板の発熱、試作中のFETなどの破壊破損の修復解決にも難航しているのが現状です。テスト環境も大きな問題です。30A以上の機器は手持ち電源、測定器では今迄の入出力帰還法であっても大電流領域では限界を越え、トラブルが続いておりました。

また発熱問題や、耐圧耐電流を解決したとしても使用中の安全面の問題もあります。低圧12Vと言えども30Aを越える電流を扱うのは危険なレベルであり、発煙発火もあり得ます。当初モニター販売も考えていましたが余りにリスクが大きすぎます。

技術的にはいろいろ更に試したい、効率、リップルなど最高レベルの2相並列同期整流もやってみたいと思っていましたが扱う30A強の大電流に違いはありません。残念ながらTC30A/Bの開発はとりあえず中止致します。

今後、30A昇圧充電はTC10Bを少しパワーアップと改良を加え、並列接続充電で対応したいと考えています。

ZERO氏には足を引っ張り大変ご迷惑をおかけしましたがWeb上での大電流DCDCは参考になる情報が少なく、大変勉強になりました。特に
NJM2360Aの2相180度位相差方式コンバータは世の中にない素晴らしい方式であります。改めて御礼申し上げます。

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