降圧コンバータのインダクタンス計算方法
はじめに
降圧回路では、インダクタの設計はシステム効率、出力電圧リップル (∆VOUT)、ループの安定性に密接に関係する重要な要素です。本稿では、MPQ2314を使用する降圧コンバータのインダクタンスの計算方法およびインダクタ温度の上昇電流、飽和電流のDC抵抗、動作周波数、磁気損失などを含む重要なパラメータについて説明します。
降圧トポロジーの動作原理
上部チューブ (Q1) の動作状態は、インダクタ充電モードとインダクタ放電モードの2つのプロセスに分けられます (図1参照)。Q1はインダクタ充電モードでオンになります。この場合、インダクタ電流 (IL) が上昇すると、インダクタがエネルギーを蓄積し、出力コンデンサが充電されます。インダクタ放電モードではQ1がオフになります。ここでILは低下し、インダクタがエネルギーを放出します。
図1 : インダクタ充電モードとインダクタ放電モード
インダクタンス (L) は、インダクタにかかる電圧と電流の関係に基づいて計算できます。この関係は式 (1) で計算できます。
$$V = L \times dl / dt$$ここで、インダクタの両端の電圧はVIN - VOUTで、dIはピークツーピークIL (∆IL) (通常、最大出力電流IOUTの10%～60%)、そしてdtは式 (2) で計算されるQ1のターンオン時間です。
$$dt = D \times t_{sw}$$式 (1) を使用すると、Q1がオンになったときのインダクタのエネルギー蓄積の状態を解析できます。
図2に、デューティサイクル、インダクタ電流変動、およびインダクタンスの計算方法を示します。
図2 : デューティサイクル、インダクタ電流変動、およびインダクタンスの計算
∆VOUTと効率のバランスをとるために、インダクタを設計する場合、システムは通常、全負荷では連続導通モード (CCM) になり、軽負荷では不連続導通モード (DCM) になります。CCMでは、 インダクタのリップル電流が小さいため、∆VOUTは低くなります。DCMでは通常、ICは周波数低減モードに入り、動作周波数が低下し、それによって軽負荷効率が向上します。
インダクタの仕様を考えてみましょう。Lは特定の動作周波数 (通常100kHz) で測定されます。周波数が増加するにつれて、Lは減少します。
IRはインダクタ温度の上昇電流、ISATは飽和電流です。通常、IRはISATを少し下まわります。選択したIRは、全負荷時のピーク電流 (IPK) を超える必要があり、また過電流または短絡状態ではインダクタが飽和状態にならないことも考慮する必要があります。したがって、IRは DC/DCコンバータによって定義された電流制限保護しきい値を超える必要があります。
図3は、MPL-AY1050-100のパラメータを示します。.
図3 : MPL-AY1050-100のパラメータ
本稿では、仕様で過電流保護 (OCP) のしきい値を定義している (通常4A)、 DC/DCコンバータとしてMPQ2314を選択しました。2Aの全負荷では、インダクタのIPKは2.58A、そしてOCPしきい値の上限と下限の分布により、OCPしきい値は3.36Aとなります。20%を超えるマージンをもつ4Aを超えるインダクタのIRを選択します。
図4は、全負荷時のMPQ2314の波形とOCPピーク電流を示しています。
図4 : MPQ2314の全負荷時の波形とOCPピーク電流
直流抵抗 (RDS、DCRとも呼ばれる) は、インダクタの伝導損失に直接関係します。インダクタを選択する場合、RDSが小さいほど、効率が向上し温度が上昇します。インダクタンス損失の大部分を占めるのは銅損であり、磁気損失は動作周波数と磁心の特性に関係します。周波数が高くなると磁気損失が大きくなります。
インダクタンスを増やすと、インダクタのリップル電流が減少して、∆VOUTを低減します。しかし、この磁心のインダクタンスが増加すると、RDSは増加しますが、飽和電流と温度上昇電流は減少します。したがって、インダクタンスを増やす前に、このトレードオフを考慮する必要があります (図5参照)。
図5 : インダクタンス損失の計算
インダクタを選択する際は、理論計算値にできるだけ近づけて、飽和電流と温度上昇電流を確認するためにインダクタのIPKを計算します。発生するノイズが少なくなり、電磁両立性性能が向上するため、磁気シールド付きのパッケージを使用することをお勧めします。インダクタンスを選定するための計算例を図6に示します。
図6 : インダクタンス選定の計算例
結論
本稿では、降圧コンバータに必要なインダクタンスを計算する手順を説明しました。これには、デューティサイクル、ターンオン時間、∆IL、L、IPKを含みます。正しいインダクタンス、システム効率を決定することで、∆VOUT、ループの安定性も最適化できます。
詳細については、MPSのオンラインインダクタ選択ツールをご覧ください。 これにより、ユーザーは目的のインダクタンスを簡単に取得し、適切なインダクタモデルを追加できます。
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