紹介と動作原理

降圧コンバータは、ステップダウンコンバータとも呼ばれ、高い入力電圧を低い出力電圧に変換するパワーエレクトロニクスで一般的なトポロジーです。ポータブルデバイスから車載システムまで、特定の部品やサブシステムが動作するために低い電圧レベルを必要とするさまざまなアプリケーションで重要です。降圧コンバータの主なメリットは、比較的少数の部品を使用して効率的な電圧変換を可能にする単純さです。

降圧コンバータの動作原理は、スイッチ、インダクタ、およびコンデンサを介して入力から出力への制御されたエネルギー伝達に関連しています。インダクタを流れる電流を制御するために、降圧コンバータにはハイサイドスイッチ (通常はMOSFET) とローサイドスイッチ (通常はダイオード) が使用されます。ハイサイドスイッチのデューティサイクルを調整することにより、平均出力電圧を入力電圧に比例して調整することができます。

降圧コンバータのハイサイドスイッチをオンにすると、インダクタに電流が流れ、磁場にエネルギーを蓄えます。蓄積されたエネルギーは出力に伝達され、出力コンデンサが充電され、負荷に電力が供給されます。ハイサイドスイッチがオフになり、ローサイドスイッチがオンになると、インダクタの磁場が崩壊し、蓄積されたエネルギーが解放され、負荷への電流が維持されます。降圧コンバータはクローズドループ制御システム内で動作するように設計されています。クローズドループ制御システムでは、フィードバック機構が出力電圧と基準電圧を継続的に比較して、入力電圧や負荷条件の変化に関係なく出力電圧が安定し調整された状態に保たれるようにします。

回路トポロジーと主要部品

図1に降圧コンバータの回路図を示します。これは、DC電源 E、スイッチS (通常、MOSFETまたはIGBT)、ダイオードD、低周波数バンドパスLCフィルタ、および負荷Rの電源で構成されます。トランジスタは、小さな矢印とスイッチSで表されます。これは、スイッチを介して確立できる電流の方向を示します。

図1 : 降圧コンバータか回路の略図

スイッチSをオンにすると、ダイオードDは電源電圧Eによって逆向きに分極され、インダクタの両端の電圧は電源電圧と負荷電圧の差に等しくなります (図2参照) :

$$u_L=E-U$$

インダクタを流れる電流は、最小値から最大値まで直線的に増加します (図3参照)。

図2 : 降圧コンバータの回路図 – 間隔 t_ON

図3 : 降圧コンバータ – インダクタ電圧および電流対時間グラフ

スイッチSをオフにすると、ソースEからのインダクタの電流がダイオードDに流れる整流プロセスが発生します。このプロセスを図4に示します。整流プロセスをよりよく理解するためには、インダクタの巻線が互いに隣接した一連のコイルで構成されていることを考慮する必要があります。これにより、コイル間に磁気カップリングだけでなく、容量性カップリングも発生します。これは、コンデンサC_Pで表されます。スイッチオフ (スイッチS) にする前の瞬間、インダクタの両端の電圧は次のようになります。

$$u_L=u_{Cp}=E-U$$

スイッチSをオフにした後、インダクタを通る電流は方向と強度が同じままで、コンデンサC_Pを通って閉じます (図4 - a参照)。次の周期で、コンデンサは放電して反対側に充電します。ダイオードの逆電圧は次のようになります。

$$u_{Dr}=U+u_L=U+u_{Cp}$$

また、コンデンサC_Pの両端の電圧が負荷電圧と反対方向に等しくなると、ゼロになります。このとき、ダイオードがインダクタの電流を引き継ぐので (図4 - b参照)、インダクタの両端の電圧は負荷電圧に等しくなります。

$$u_L=-U$$

そして、インダクタを流れる電流は直線的に減少し、周期の終わりに最小値に達します (図3参照)。

図4 : 降圧コンバータ回路図 - 間隔 t_OFF

定常状態では、1回のスイッチングサイクルで、インダクタ電流の総変化はゼロに等しくなります :

$$\Delta I_L = \frac{1}{L} \int_{0}^{T} u_L dt = 0 \Rightarrow \int_{0}^{T} u_L dt = 0$$

これは、定常状態でインダクタの両端の電圧波形の面積がゼロに等しいことを示唆し、以下のようになります :

$$S_+ = S_- \Rightarrow (E - U) \cdot t_{ON} = U \cdot t_{OFF}$$

平均負荷電圧 (抵抗Rの両端の電圧) の値は次のとおりです :

$$U = E \cdot \frac{t_{ON}}{t_{ON} + t_{OFF}} = E \cdot \frac{ t_{ON}}{T} = E \cdot d$$

ここで、dはスイッチSのデューティサイクルを表します。

降圧コンバータは、入力電圧をより低い出力電圧にステップダウンするために、シンプルで効果的な回路トポロジーを採用しています。降圧コンバータの主要部品は次のとおりです :

1. ハイサイドスイッチは制御された半導体デバイスで、入力電圧源を残りの回路に接続および切断します。通常、これはデューティサイクルと出力電圧を決定するためにパルス幅変調 (PWM) 信号によって制御されるMOSFETまたはIGBTです。
2. ローサイドスイッチは、インダクタを適切な方向に電流が流れるようにするもう1つの電子デバイスです。非同期整流降圧コンバータで、通常これはダイオードであり、同期整流降圧コンバータでは通常MOSFETです。また、PWM信号によって制御されますが、ハイサイドスイッチの動作を補完するために位相差があります。
3. インダクタは、電流波形を滑らかにして、回路内の連続的な電流フローを維持するのに役立つエネルギー貯蔵素子として機能します。インダクタの値は、必要な導通モード (連続または不連続) を確保し、出力電圧リップルを最小限に抑えるために慎重に選択されます。
4. 出力コンデンサは電圧波形をフィルタリングして電圧リップルを低減し、負荷に安定した出力電圧を提供します。容量値、等価直列抵抗 (ESR)、等価直列インダクタンス (ESL) はすべて、コンバータの性能と出力電圧の品質を決定する上で重要な役割を果たします。
5. 制御回路はPWM信号を生成してハイサイドおよびローサイドスイッチを駆動し、出力電圧をモニタし、デューティサイクルを調整して電圧を調整します。制御回路は、コンバータの性能と安定性を最適化するために、電圧モード制御、電流モード制御、または高度な制御戦略など、さまざまなフィードバックのメカニズムを使用することがあります。

これらの部品は、いくつかの追加の受動素子 (フィードバックネットワーク用の入力コンデンサや抵抗など) とともに、降圧コンバータの基本的な回路トポロジーを形成します。これらの部品を適切に選択して設計することにより、降圧コンバータは様々なアプリケーションで入力電圧を目的の出力電圧に効率的かつ効果的にステップダウンすることができます。

連続導通モードと不連導通モード

降圧コンバータでは、インダクタを通る電流の流れは、連続導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) の2つの異なる導通モード (CCM) と不連続導通モード (DCM) モードによって説明できます。これらのモードを理解することは、コンバータを適切に設計および解析するために不可欠です。

連続導通モード (CCM) : このモードでは、スイッチングサイクル全体でインダクタを流れる電流がゼロになることはありません。このモードでは、インダクタがサイクル中にエネルギーを継続的に蓄積して放出し、出力電圧は主にハイサイドスイッチのデューティサイクルと入力電圧によって決定されます。CCMは、出力電圧リップルが小さく、フィルタ部品が小さく、スイッチへのストレスが少ないため、多くの場合好まれますが、さまざまな負荷条件下で安定性を維持するためには、より複雑な制御方式が必要です。

不連続導通モード (DCM) : DCMでは、負荷電流がインダクタの平均電流よりも低い場合、スイッチングサイクルの一部でインダクタを通る電流がゼロになります。これにより、インダクタは次のサイクルが始まる前に蓄積されたエネルギーを完全に放電し、出力電圧リップルが高くなり、電流の急激な変化によるEMIが増加します。しかし、DCMには、軽負荷効率の向上、制御スキームの簡素化、ローサイドダイオードの逆回復損失の低減などのメリットがあります。

CCMとDCM間での選択 : 導通モードの選択は、負荷電流範囲、出力電圧リップル耐性、効率目標などの特定のアプリケーション要件によって異なります。設計者は、これらの要因を慎重に検討し、降圧コンバータの設計に適切な導通モードを選択する必要があります。

場合によっては、コンバータは高負荷条件下においてCCMで動作し、軽負荷条件下でDCMに移行することがあります。境界導通モード (BCM) または臨界導通モード (CRCM) と呼ばれるこの動作は、広い負荷範囲にわたって高効率と部品ストレスの低減など、両方の導通モードにメリットがあります。しかし、設計上の課題も増え、安定した動作を確保するために、より複雑な制御方式が必要になる場合があります。

設計での考慮事項と計算

降圧コンバータの設計では、ピーク性能、有効性、信頼性を保証するために、いくつかの重要な要因と計算を考慮に入れる必要があります。このセクションでは、降圧コンバータの設計に影響を与える主な側面と、実行する必要がある計算について説明します。

入出力仕様 : 降圧コンバータを作成する最初の段階は、必要な出力電流 (Iout)、必要な出力電圧 (Vout)、および入力電圧範囲 (VIN_MINおよびVIN_MAX) を提供することです。コンバータの動作パラメータは、これらの仕様に従って選択されます。

デューティサイクルおよびスイッチング周波数 : デューティサイクル (D) は、ハイサイドスイッチがオンのときのスイッチング時間全体の割合です。これは、出力電圧とコンバータの効率に影響を与える重要な変数です。デューティサイクルは、次のように計算できます :

$$D = \frac{V_{out}}{V_{in}}$$

スイッチング周波数 (fs) は、インダクタとコンデンサのサイズ、およびコンバータの過渡応答、効率、電磁両立性 (EMC) に影響を与えるもう1つの重要なパラメータです。スイッチング周波数が高いほど受動素子が小さくなりますが、スイッチング損失が大きくなり、効率が低下する可能性があります。

インダクタの選択 : インダクタは、スイッチングサイクル中にエネルギーを蓄えて放出するため、降圧コンバータの重要な部品です。出力電圧リップル、過渡応答、およびサイズの兼合いのバランスをとるために、インダクタ値 (L) を選択する必要があります。必要なインダクタの値は、次の式を使用して計算できます ：

$$L = \frac{(V_{in} - V_{out}) \cdot D \cdot T}{\Delta I_L}$$

ここで、Tはスイッチング周期 (1/fs)、ΔILは希望するインダクタ電流リップルです。

コンデンサの選択 : 出力コンデンサ (Cout) は、出力電圧リップルをフィルタリングし、コンバータの安定性を維持する上で重要な役割を果たします。Coutの値は、希望の出力電圧リップル (ΔVout)、負荷電流、およびスイッチング周波数に依存します。必要な出力コンデンサの値は、次の式を使用して推定できます :

$$C_{out} = \frac{I_{out} \cdot D \cdot T}{\Delta V_{out}}$$

出力コンデンサ (Cout) は出力電圧リップルをフィルタリングし、コンバータの安定性を維持します。Coutの適切な値を決定するには、希望の出力電圧リップル (ΔVout)、負荷電流 (Iout)、およびスイッチング周波数 (fs) を考慮する必要があります。

出力電圧リップル (ΔVout) は、主にスイッチングサイクル中に出力コンデンサを充電および放電するインダクタ電流リップル (ΔIL) によるものです。コンデンサ電流 (Ic) は、次のように概算できます :

$$I_C \approx \frac{\Delta I_L}{2}$$

時間領域における電流と静電容量の関係を考慮すると、次のようになります :

$$I_C = C \cdot \frac{dV}{dt}$$

ここで、「Ic」はコンデンサ電流、「C」は静電容量値、「dV」はコンデンサの両端の電圧変化、「dt」は時間変化です。

この2つの関係を組み合わせると、次のようになります :

$$\frac{\Delta I_L}{2} \approx C_{out} \cdot \frac{\Delta V_{out}}{T}$$

ここで、「T」はスイッチング周期 (1/fs)、「ΔVout」は希望の出力電圧リップルです。

これで、計算式を並べ替えてCoutを解くことができます :

$$C_{out} \approx \frac{\Delta I_L \cdot T}{2 \cdot \Delta V_{out}}$$

ただし、インダクタ電流リップル (ΔIL) は負荷電流 (Iout) とデューティサイクル (D) に正比例することに注意しましょう。実際には、負荷電流が大きいほどインダクタ電流リップルが大きくなります。したがって、ΔIlとIout * Dの間の比例関係を代用することにより、Coutの方程式を書き換えることができます :

$$C_{out} \approx \frac{I_{out} \cdot D \cdot T}{\Delta V_{out}}$$

構成部品の選択と熱に関する考慮事項 : 適切なインダクタとコンデンサの値を選択することに加えて、十分な電圧と電流定格を備えたハイサイドおよびローサイドスイッチ (多くの場合MOSFET) を選択することが重要です。信頼性の高い機能を確保するには、ヒートシンクやサーマルビアなどの適切な熱管理技術を使用する必要があります。この手順では、これらの部品の電力損失を考慮に入れる必要があります。

制御ループ設計 : また、降圧コンバータの制御ループは、さまざまな入力電圧および負荷状況下で出力電圧レギュレーションを維持するように構築する必要があります。このプロセスでは、適切な制御トポロジー (電圧モード、電流モード、デジタル制御など) を選択し、ループ補償部品を調整して安定性と正しい過渡応答を実現することが一般的な手順です。

結論として、降圧コンバータを構築する際には、入力 / 出力要件、デューティサイクル、スイッチング周波数、部品選択、および制御ループの設計など、多くのパラメータを慎重に検討する必要があります。エンジニアは、これらの要素を考慮し、関連する計算を実行することで、さまざまなアプリケーションに効果的で信頼性の高い降圧コンバータを設計できます。

効率と損失

降圧コンバータの性能を最大化し、さまざまな状況下で信頼性の高い動作を保証するには、その効率と電力損失を理解することが重要です。このセクションでは、降圧コンバータの効率がさまざまな変数によってどのように影響されるかについて説明し、さまざまな電源損失源を見ていきます。

効率 : 出力電力 (Pout) と入力電力 (Pin) の比は、降圧コンバータの効率 (η) の定義です。これは、正常に使用可能な出力電力に変換された入力電力の割合を表します。降圧コンバータの効率は、次のように計算できます :

$$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$$

パワーエレクトロニクスコンバータでは、電力損失を低減し、部品への熱ストレスを軽減し、システム全体の性能を向上させるため、高効率が好まれます。部品の選択と動作状況に応じて、一般的な降圧コンバータは90%以上の効率を達成することができます。

伝導損失 : インダクタ、MOSFET、ダイオードなどの伝導部品に抵抗があるため、電力が失われたときに伝導損失が発生します。一般的に、これらの損失は出力電流が大きいほど大きく、負荷電流に比例して大きくなります。伝導損失を低減するには、低抵抗部品を選択し、寄生抵抗を最小限に抑えるコンバータのレイアウトを設計することが不可欠です。

スイッチング損失 : スイッチング損失は、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチ (多くの場合MOSFET) がオンとオフの間で反転するためにエネルギーが失われることによって発生します。これらの損失は、スイッチの特性、入力電圧、およびスイッチング周波数に依存します。設計者は、低いゲート電荷のMOSFETを選択したり、ソフトスイッチング方式を使用したり、ゲートドライブ回路を最適化してスイッチング損失を低減することができます。

磁気損失 : ヒステリシスと渦電流により、インダクタの磁気コア内でエネルギーが失われ、磁気損失が発生します。これらの損失は周波数に依存し、適切なコア材料を使用し、コア損失が最小になるようにインダクタを設計することで低減できます。

容量性損失 : 容量性損失は、充電および放電サイクル中に消費されるエネルギーにより、出力コンデンサで発生します。これらの損失は、コンデンサの等価直列抵抗 (ESR) とスイッチング周波数の影響を受けます。容量性損失を最小限に抑えるために、設計には低ESRコンデンサを使用する必要があります。

アプリケーションと例

降圧コンバータは、効率的な電圧変換、コンパクトなサイズ、および適応性により、さまざまな業界の多くのアプリケーションで重要な役割を果たしています。このセクションでは、降圧コンバータの一般的なアプリケーションについて説明し、その機能と重要性を示す例を示します。

電源 : 安定化電源は、降圧コンバータの最も一般的なアプリケーションの1つです。AC/DCアダプタ、バッテリーチャージャ、DC配電システムなどを含む、スタンドアロンおよび統合電源設計では、電源が使用されます。たとえば、ラップトップのバッテリーを充電するのに十分な低電圧に主電源から入力電圧をステップダウンするために、ラップトップの電源アダプタは降圧コンバータを使用することがよくあります。

電気通信 : 降圧コンバータは、無線周波数 (RF) 回路、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ (DSP) などの繊細な部品用の安定した低ノイズ電圧レールを生成するために電気通信システムに採用されています。48Vの電気通信バスのような高電圧入力を、個々のサブシステムで必要とされる低電圧に効率よく変換することができます。

車載用エレクトロニクス : 最新の自動車は、正確な電圧管理を必要とするさまざまな電気部品を備えています。降圧コンバータのアプリケーションには、インフォテイメントシステム、エンジンコントロールモジュール (ECM)、LEDヘッドランプドライバ用の電源管理が含まれます。連続的な明るさと長寿命を提供するために、例えば自動車用LEDヘッドライトドライバは、降圧コンバータを使用してLED全体の一定の電流を維持することができます。

再生可能エネルギーシステム : 降圧コンバータは、エネルギーハーベスティング機器の出力電圧を制御するために、太陽光および風力エネルギーシステムで使用されます。太陽光パネルや風力タービンの電力変換効率は、最大電力点追従 (MPPT) アルゴリズムを使用して最適化でき、再生可能エネルギーシステムの全体的な性能を大幅に向上させることができます。

ポータブルおよびバッテリー駆動デバイス : 降圧コンバータは、スマートフォン、タブレット、ウェアラブル電子機器などのモバイルデバイスで多く使用され、多数の部品の消費電力を効果的に管理します。バッテリー電圧を各種サブシステムに必要なレベルに下げることで、バッテリー寿命を延ばし、デバイスの性能を向上させることができます。