DC/DCコンバータのフィードバック抵抗分圧器の設計

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はじめに

DC/DCコンバータのフィードバック (FB) 抵抗分圧器の仕様は、必要な抵抗値の決定やパラメータの調整 (例 : 出力電圧、上部分圧抵抗、下部分圧抵抗) など、さまざまな設計上の課題をよくもたらします。図1は、FBの上部と下部の分圧抵抗のさまざまな大きさの組み合わせを示すものです。

図1 : FB用の上部抵抗と下部抵抗のさまざまな大きさの組み合わせ

本稿では、待機時の消費電力、出力電圧の精度、ループ特性など、FB抵抗分圧器の設計仕様について説明します。

待機時消費電力

図2は、 低静止電流 (自己消費電流) でのDC/DCコンバータとFB抵抗分圧器間の桁の違いを示したものです。 R1とR2が分圧抵抗である場合のMPQ4430について検討してみましょう。

図2 : R1とR2の桁の違いによる効率の違い

特にバッテリーを使用する製品では、DC/DCコンバータのFB抵抗分圧器の値を比例的に増加させるために待機時消費電力を最適化しましょう。

出力電圧精度

待機時消費電力を削減するには、FB抵抗分圧器の抵抗値を大きくする必要があります。

FBはオペアンプの設定電流を流すマイナス入力端子です。抵抗分圧器ネットワークでのFB電流 (I_FB) の割合が比較的小さい場合、I_FBは無視できます。割合が大きい場合、つまり分圧抵抗の選択値が大きい場合は、IFBを無視することはできません (図3参照)。

図3 : 抵抗分圧器ネットワークのFB電流の割合

図4は、実際の出力電圧 (V_OUT) がI_FBの存在により既定値を超える場合、電圧精度が悪くなることを示します。

図4 : 計算された出力電圧精度

したがって、抵抗を選択する際には、抵抗分圧器を流れる電流がI_FB × 50を超えることを推奨します。

ループ特性

FB抵抗は、チップ内のループ特性にも影響を与えます。FBネットワークが1つの抵抗で構成されている場合、電圧モードオペアンプとエラーアンプ (EA) のゲインは、上部分圧抵抗 (R1) に関連しています。動的負荷にリップルが必要な状況では、R1の値を調整してさらに最適化できます。図5に、電圧モードオペアンプを示します

図5 : 電圧モードオペアンプ

電流モードオペアンプの状況では 、オペアンプのゲイン (G_EA(S)) はR1とR2の値に直接関係していませんが、2つの抵抗の比率に関係します。図6に、電流モードオペアンプを示します。

図6 : 電流モードオペアンプ

したがって、異なるV_OUTの状況 (1V、1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、または5V) では、上部分圧抵抗の抵抗値を一定に保ち、下部分圧抵抗の抵抗値を変更して近似のループ特性を得ることを推奨します (図7参照)。

図7 : さまざまな出力電圧による下部分圧抵抗器の抵抗値変更

FB抵抗分圧器の値を取得したら、FBピンの配線に注意する必要があります。FBは、ノイズを結合する可能性がある高インピーダンスのピンです。実際のアプリケーションでは、多くの場合、R1とR2は出力コンデンサの端に配置されるため、FB配線が長くなります。このFB配線はアンテナとして機能し、リアルではないフィードバック結合が簡単に生じ、V_OUTの変化または不安定性を引き起こします (図8参照)。

図8 : 長いFB配線によるリアルではないフィードバック結合の簡易化

回路の配線では、FBの配線はできるだけ短くする必要があり、R1とR2はICのFBピンの近くに配置する必要があります。また、V_OUTは、長い配線に対して使用できる障害に強い耐性をもつDCレベルです(図9)。

図9 : 回路配線作業での短いFB配線

一般に、出力電流 (I_OUT) は数アンペアにすぎないため、R2のグランドはチップのグランドの近くに接続できます。しかし、もしI_OUTが10Aを超え、グランド配線上の銅層が制限されると、グランド配線の電圧は消滅します。これにより、実際のV_OUTは既定電圧を下回ります。この場合、リモートサンプリングが推奨されます (図10参照)。

図10 : リモートサンプリング

結論

DC/DCコンバータのFB抵抗分圧器のFBルーティングを最適化するには、第一素子をできるだけ短くし、同じ側で第二素子を直接接続することが重要です。スイッチ、インダクタ、汚れたグランドのような障害の源がないようにしましょう。

詳細については、MPSのスイッチングコンバータとコントローラの幅広いセレクションをご覧ください。

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