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昇圧コンバータを選択するための動作原理

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はじめに

コンバータの選択は、安定したシステムの動作とパフォーマンスに直接影響を与える電源設計の最初の段階です。通常、設計者は、電力コンバータが定格電流値に基づいて実際の負荷容量を満たしているかどうかを判断する必要があります。

たとえば、 24V～5V/2Aのパワーレールに対して36V/3Aの降圧コンバータを選択すると 、すぐれた効率、温度上昇、コストパフォーマンスを実現します。ただし、3.6V～5V/2Aの電源レールに対して3A/5.5Vの昇圧コンバータを選択すると、チップ保護メカニズムが突然作動してしまいます。これは、昇圧コンバータの公称電流が、コンバータが出力できる電流量と等しくないためです。

本稿では、スイッチング電流能力を決定するための昇圧コンバータの動作原理について説明します。

昇圧コンバータの動作原理

スイッチチューブ (M1) が1つのスイッチングサイクル内でオンになると、電流経路は、入力電圧 (VIN)、インダクタンス (L)、M1の順序で発生します。インダクタ電流 (IL) が上昇し、インダクタにエネルギーが蓄積されます (図1参照)。

図1 : M1がオンするときの電流経路

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M1がオフになると、ILが急激に変化しないため、ダイオード (D1) は流れ続け、インダクタはエネルギーを放出します。電流経路はVIN、L、D1、出力電圧 (VOUT) の順序で発生します (図2参照)。

図2 : M1がオンするときの電流経路

スイッチングサイクル中の昇圧回路では、入力はインダクタのエネルギーの蓄積と放出を通じて出力にエネルギーを継続的に伝達します (図3参照)。

図3 : 昇圧回路出力への継続的なエネルギー伝達

サイクル中の入力コンデンサの充放電のバランスにより、平均電流は0Aになります。したがって、平均的なILは平均入力電流 (IIN_AVG)に等しく、最大ILは最大スイッチ電流に等しくなります (図4参照)。

図4 : インダクタ電流、スイッチ管電流、ダイオード電流の波形

降圧コンバータの公称電流はIOUTで、昇圧コンバータの公称電流は最大スイッチング電流です。最大スイッチング電流は、ピークインダクタ電流 (IL_PEAK) と同じです。ILのリップルにより、IL_PEAKは式 (1) で計算する必要があります。

$$I_{L\_PEAK}=(\frac {V_{OUT}\timesI_{OUT}}{V_{IN\_MIN}\times\eta})\times1.15$$

VOUTとIOUTを使用して最大出力電力 (POUT_MAX) を計算します。 効率ηでVOUTとIOUTを割り、最大入力電力 (PIN_MAX)を獲得し、最少VINでPIN_MAXを割って 最大入力電流 (IIN_MAX）を決定します。

ここで、電流は平均値です。平均電流に電流リップル係数を乗じて、ピークツーピークIL値 を求めます。

リップル係数は通常30%で、IL_PEAKは平均電流の1.15倍に等しくなります。この公式によれば、IL_PEAKはチップの予備選択を行うには、スイッチチューブに流れる最大電流を下回る必要があります (図5参照)。

図5 : 予備のチップ選択のためのピーク・インダクタ電流

結論

本稿では、適切な昇圧コンバータの選択用に必要なVINとVOUTの要件を組み合わせた、昇圧コンバータのスイッチング電流能力を決定する手順について説明しました。詳細については、MPS の昇圧コントローラとコンバータの幅広い選択肢をご覧ください。

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