スイッチング電源設計における周波数選択 (第1部)

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はじめに

スイッチング電源の基本特性である周波数は、DC電圧のオン / オフの切り替え速度を表します。スイッチング周波数を理解することは、実際のアプリケーションにおける電力線の動作原理の基礎となります。本稿は、スイッチング周波数設計について掘り下げた2部構成のシリーズの第1部です。

第1部では、スイッチング周波数の主要な変数の計算と、より高い周波数での課題について議論します。第2部では、実際のアプリケーションにおける周波数範囲に対応したスイッチング電源の設計方法について説明します。

スイッチング周波数に関する原理

スイッチング電源は、スイッチング動作を使用して、DC電源を特定の周波数のパルス電流エネルギーに変換します。電気エネルギーは、所定の要件に従って放出され、誘導エネルギーと容量性エネルギーは構成要素に蓄積されます。心拍が健康状態を示すのと同様に、定常のスイッチング周波数と自己調整スイッチング周波数はいずれもスイッチング電源の品質を示します (図1参照)。したがって、スイッチング周波数はスイッチング電源の重要な指標の1つです。

図1 : スイッチング電源品質の指標としてのスイッチング周波数

スイッチング電源の動作中は、定常のスイッチング動作が主要なメカニズムであり、回路の計算では周波数が決定的な役割を果たします。周波数 (fS) によってインダクタの電流リップル (ΔIL) と出力電圧リップル (VRIPPLE) が決まる降圧回路を考えてみましょう。fSとリップル振幅はほぼ逆です。つまり、周波数が高いほどリップルが小さくなります。ΔILは次の式 (1) を使用して計算できます。

VRIPPLEは式 (2) を使用して推定できます。

式 (2) は、fS、インダクタンス (L)、fSと出力コンデンサ (COUT) の積がすべて計算係数として使用されることを示しています。

蓄積されるインダクタンスエネルギーとキャパシタンスエネルギーは、式 (3) を使用して計算できます。

同じ条件下で、fSを大きくすると、インダクタンスとキャパシタンスを同時に低減すると同時に、デバイスの体積を最適化できます。fSを大きくすると、一度に蓄えられるエネルギーが少なくなり、エネルギー蓄積部品の要件が軽減されます。さらに、fSを大きくするとVRIPPLEが減少し、電力品質が向上します。

周波数を上げることの課題

fSを大きくすると損失も増加し、スイッチング電源の損失、効率、発熱という 3 つのコア指標に直接影響します。損失の大部分がオン損失、スイッチング損失、駆動損失で構成されるバック回路を考えてみましょう。特に、スイッチング周波数はスイッチング損失と駆動損失に直接影響します。

駆動損失とは、MOSFETの寄生コンデンサ (CGSとCGD) によって駆動電圧のもとで失われる駆動電流のことです (図2参照)。この損失は主にMOSFETチューブの寄生充電および放電 (QG)に起因します。

図2 : 駆動電流の損失

駆動損失は式 (4) で推定できます。

スイッチング損失については、MOSFETチューブの開くプロセスを例に挙げます。MOSFETがオンになるたびに、電圧と電流が変化します。図3 は、スイッチング損失がスイッチング周波数に比例することを示しています。VDSとIDSのオーバーラップ領域はスイッチング損失を示しています。

図3 : 電圧と電流の変化の間のスイッチング損失

設計者は、スイッチの開閉エッジ速度を向上させ、IDSとVDSの変化速度を上げ、オーバーラップ領域を直接削減して、スイッチング損失を低減する必要があります。スイッチング損失は、式 (5) を使用して推定できます。

しかし、この方法は高周波方形波でさらに悪化させ、高周波EMIに悪影響を及ぼします。スイッチの準方形波信号のフーリエ変換は、fSとスイッチの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジ速度が信号ゲインに大きく影響することを示しています。fSが大きくなると、システムの高調波歪みも大きくなり、EMIが発生します (図4参照)。高周波での効率を向上させるには、EMI 設計を厳密に制御する必要があります。

図4 : 周波数を上げるとEMI劣化につながる

回路EMI設計では、固定周波数スイッチング電源は単一の周波数点を持つため、エネルギーは周波数点と2倍の周波数点の近くに集中し、EMIノイズが高くなります。EMIを最適化するために、周波数ジッタを特定の範囲内で使用してノイズ信号のエネルギーを分散させ、ノイズのピークを低減することができます (図5参照)。

図5 : 周波数ジッタでEMIを最適化

EMIソリューションが進化するにつれて、高周波設計はより複雑になります。周波数ジッタの設計に加えて、電源の軽負荷スイッチング周波数を設計するには慎重な検討が必要です。たとえば、固定周波数モードと可変周波数モードの違いは、回路の動的特性、軽負荷効率、静的消費電力に反映されます。実際のアプリケーションシナリオに基づいて、これらの違いは電源設計プロセスの開始時に判断する必要があります。

結論

本稿では、スイッチング周波数の影響を受けるコア回路インジケータの計算方法について説明しました。また、より高い周波数に起因するさまざまなタイプの損失についても取り上げました。第2部では、3つの異なる周波数範囲での実際のアプリケーションシナリオについて説明します。スイッチング電源の周波数設計の基礎を理解することで、電力エンジニアはエネルギー貯蔵部品の電力品質と効率を向上させることができます。

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