DC/DCコンバータ: 一般的なタイプ、機能、主要パラメータ、およびアプリケーション
はじめに
図1: DC/DCコンバータ
DC/DCコンバータは、多くの電子システムにおいて不可欠な構成要素であり、あるレベルの直流(DC)電圧を別のレベルに変換する役割を担っています。それらは、様々な電子システムにおける電圧レベルを調整および安定化するために使用され、図1に示されるように、構成要素が最適な性能および安全性のために適切な指定電圧を受け取るようにします。それらは、電源、バッテリーチャージャ、電気自動車、再生可能エネルギーシステムなどの複数のアプリケーションで重要な役割を果たしています。本稿では、DC/DCコンバータ、その一般的なタイプ、基本的な動作原理、主要なパラメータ、および実際のアプリケーションについて説明します。
DC/DCコンバータの種類
DC/DCコンバータには、主にリニアタイプとスイッチングタイプの2つの種類があります。
リニアレギュレータ
リニアレギュレータは、リニア領域で動作する抵抗器またはトランジスタなどのリニア構成要素を使用し、変換経路内の抵抗を変化させることによって出力電圧を一定に保ちます。調整回路は、その抵抗を連続的に変化させ、図2に示されるように、一定の出力電圧を維持するように分圧器ネットワークを調整します。
図2: 基本的リニアレギュレータ回路
図3: フィードバック付きリニアレギュレータの機能
一般に、単純なエラーアンプであるコントローラへのフィードバックは、図3に示されるように、必要な定電圧出力を維持するために提供されます。抵抗分割回路を介した出力電圧のステップダウンバージョンの形態のフィードバックは、基準電圧と比較され、出力ドライバトランジスタのオン抵抗を変化させることによって出力電圧を調整します。基準電圧 (Vref) およびフィードバック抵抗 (R1およびR2) に関する出力電圧 (Vo) は、以下のように記述することができます。
$$ Vo = Vref \times \frac{R1 + R2}{R2} $$このプロセスでは、ドロップアウト電圧として知られる入力電圧と調整電圧の差が、エネルギーの浪費につながります。入力電圧より低い出力しか得られません。図4は、3.3Vのリニアレギュレータが、電圧変換中に0.5Wの入力電力のうち0.17Wをどのように消費するかを示します。
図4: エネルギーの浪費をもたらすリニアレギュレーション
低ドロップアウト (LDO) は、調整中の電圧降下を抑えて動作できるリニアレギュレータの一種です。LDOのパス素子は、通常、PMOSまたはNMOS FETで実装され、これは、負荷状態に依存して、30mV～500mVの低いドロップアウト電圧を生成することができます。
ここで、リニアレギュレータの主要パラメータを以下に示します。
入力電圧範囲: 入力端子に印加可能な電圧範囲。 入力電圧範囲が適切な動作または仕様の達成を保証すること、または最大定格値であることを保証しなければなりません。
出力電圧範囲: レギュレータから確実に得られる出力電圧範囲。
出力精度: ±%で示される調整中に導入された可能性のある誤差の範囲。
出力電流: レギュレータの出力から確実に得られる電流。
ドロップアウト電圧: 出力を調整するために必要な入力と出力の間の電圧差。これは、損失電圧または入力電圧と出力電圧の差としても知られています。この差が小さい場合、レギュレータは正常に動作しなくなります。
過渡応答特性: 大電力負荷のウェイクアップ時など、負荷電流が急激に変化したときに、出力電圧の変動が収まるまでの時間。過渡応答特性は、実験データをプロットすることによって検証することができます。出力容量とIC性能の両方が過渡応答特性に影響を与えます。
リップル除去比: 入力電圧に含まれるリップルのうち、出力電圧で軽減されるリップルの割合。ほとんどの場合、dBで表されます。これは、PSRR (電源電圧リップル除去比) または入力電圧リップル除去比と呼ばれることもあります。リップルの周波数に依存することに注意してください。
静止電流: 外部負荷電流が与えられた場合、レギュレータの内部回路に電力を供給するために必要な電流はゼロです。過電流および過熱検出回路、エラーアンプ、出力分圧器、およびバンドギャップ基準のための動作電流を含みます。入力電圧、温度、およびトポロジーはすべて静止電流に影響します。
ロードレギュレーション: 既定の負荷変化に対する出力電圧の変化。通常、無負荷から全負荷まで定義されます。
ラインレギュレーション: 既定の入力電圧変化に対する出力電圧変化。通常、ラインレギュレーションを決定するために、全入力電圧範囲が考慮されます。
温度定格: レギュレータが全負荷時に超えてはならない最高温度。この安全限界値を超えると、レギュレータが過熱して損傷する可能性があります。
スイッチングDC/DCコンバータ
スイッチングコンバータは、高速電子スイッチを使用して、コイルおよびコンデンサを含むエネルギー蓄積素子への入力電圧を交互に接続および切断します。このプロセスは、パルス状の出力電圧を生成し、次に、それをフィルタリングし、平滑化して、安定した出力電圧を生成します。スイッチングコンバータは、リニアコンバータと比較して、より効率的であり、より広い範囲の入力および出力電圧を処理することができますが、より複雑であり、より多くのノイズを発生します。
スイッチングDC/DCコンバータの一般的なタイプには、次のようなものがあります。
1. 降圧型 (ステップダウン) コンバータ
これは、入力電圧をより高い電圧レベルからより低い出力電圧レベルに変換します。基本的な降圧型コンバータの回路図を図5に示します。
図5: 降圧型コンバータ回路
スイッチ (S) は高い周波数で動作します。Sがオンのとき、入力電圧源 (Vs) は、電流 (is) を供給して、コイル (L) およびコンデンサ (C) をそれぞれの電流 (iLおよびic) で充電します。負荷 (R) にも逆バイアスされたDが与えられ、Cは出力電圧 (Vo) を調整します。一方、Sがオフになると、ダイオードは順方向にバイアスされ、iLに負荷電流 (Io) を供給する経路を提供します。コイルとコンデンサは、出力におけるリップル電流と電圧を最小にするように適切に設計されなければなりません。
2. 昇圧型 (ステップアップ) コンバータ
これは、入力電圧をより低いレベルからより高い出力レベルに変換します。基本的な昇圧型コンバータの回路を図6に示します。
図6: 昇圧型コンバータ回路
スイッチSがオンのとき、ソース (Vs) はコイル (L) を電流 (iL) で充電し、スイッチは電流 (is) を流して残りの回路を短絡します。一方、Sがオフの場合、入力電流はL、ダイオード (D)、コンデンサ (C)、および負荷 (R) を通過します。CおよびRを通る電流は、それぞれicおよびIoで示されます。コイルLに蓄積されたエネルギーは負荷に伝達されます。次のサイクルまで、Sが再びオンになると、コイルの電流は減少します。
3. 昇降圧型 (ステップアップ / ダウン) コンバータ
名前が示すように、これらは、降圧型コンバータと昇圧型コンバータのステップアップ機能とステップダウン機能を組み合わせたものです。このコンバータは、生成された出力が入力に対して逆極性を持っているので、反転レギュレータとしても知られています。基本的な昇降圧型コンバータの回路図を図7に示します。
図7: 昇降圧型コンバータ回路
スイッチ (S) がオンのとき、入力電圧源 (Vs) は、入力電流をコイル (L) に供給します。一方、Sがオフのとき、負荷 (R)、出力コンデンサ (C)、およびダイオード (D) すべて、Lを流れる電流を受け取ります。次のサイクルでSがオンに戻るまで、Lに蓄えられたエネルギーは負荷に伝達され、コイルの電流は減少します。動作デューティサイクルは、コンバータが降圧モードで動作するか昇圧モードで動作するかを制御します。
その他の種類
ここでは、基本的なスイッチングDC/DCコンバータのトポロジーのみを紹介していることにご注意ください。しかし、Cuk、Sepic、Zetaコンバータなど、他にもいくつかのトポロジーが利用可能です。さらに、上述のタイプのDC/DCコンバータは、入力と出力との間にいかなるガルバニック絶縁も提供しません。絶縁を誘発できる回路トポロジーが利用可能です。例として、順方向、プッシュプル、フライバックコンバータなどトランスを変形したものがあります。さらに、入力ソースから負荷へ、およびその逆の両方向への電流の流れを可能にする双方向コンバータも存在します。
スイッチングDC/DCコンバータ - 関連する概念とアプローチ
電圧調整方法
パルス幅変調 (PWM) またはパルス周波数変調 (PFM) などの異なる変調方法を使用して、出力電圧DC/DCコンバータを調整することが可能です。PWMでは、周波数を一定に保ちながらデューティサイクルを変化させます。軽負荷状況下であっても周波数が一定であるため、スイッチング損失は効率を低下させます。しかし、設定周波数によってノイズフィルタリングは容易になります。一方、PFMでは、オン (またはオフ) 時間は固定されていますが、オフ (またはオン) 時間は修正されます。より低い周波数での動作は、スイッチング損失を低減します。PFMにおけるノイズフィルタリングは、周波数が不明であるため困難であり、可聴帯域にいくらかのノイズを生じます。図8は、PWM技術とPFM技術の違いを示しています。
図8: PWM 対 PFM
非同期 / 同期コンバータ
非同期コンバータは、整流素子としてダイオードを使用するスイッチングレギュレータです。図9は、降圧型コンバータの非同期バージョンを示します。
図9: 非同期降圧型コンバータ回路
図10: 非同期降圧型コンバータ回路
なお、整流素子としてのダイオードをトランジスタと交換することにより、同期整流コンバータとして、昇降圧、昇圧、フライバックなどの代替的なトポロジーを構築できることに留意する必要があります。ダイオードの順方向電圧降下は効率低下に寄与するため、これは有益です。この寄与は、低出力電圧回路において特に重要になります。しかしながら、効率の向上は、より複雑なスイッチ駆動回路という犠牲が伴います。両方のスイッチをオンにすると、入力電圧ソースがショートするため、同時にオンにならないように細心の注意を払う必要があります。これを実現するために、ブランキング時間としても知られるデッドタイムをPWM駆動信号に追加する必要があります。同期コンバータの効率は、一般に、最適な動作では高く (～95%) なり、一方、非同期コンバータの効率は、最適な動作では低く (～80%) なります。
制御方法
DC/DCコンバータの制御方法は、変化する負荷および入力電圧の条件下で出力電圧を調整します。この目的のために使用される2つの主要な制御技術、すなわち、電圧モード制御、電流モード制御があります。
1. 電圧モード制御
最も基本的な制御手法は電圧モード制御であり、図11に示すように、フィードバックループを使用して出力電圧のみを返します。PWMジェネレータは、三角波を差動電圧と比較します。差動電圧は、出力電圧を基準電圧と比較するエラーアンプによって得られます。その結果、出力電圧はPWM信号のパルス幅によって制御されます。
このアプローチは、電圧のみを使用するフィードバックループを使用するため、非常にシンプルで高いノイズ耐性を持つという利点があります。一方で、位相補償回路が複雑で設計手法が面倒という潜在的な欠点があります。
図11: 電圧モード制御
電流モードは、電圧モード制御の変形であり、電圧モード制御で使用される三角波形は、図12に示すように、回路内のインダクタ電流またはハイサイドMOSFETのオン抵抗で置き換えられます。電流モードには電圧ループと電流ループという2つの異なるタイプのフィードバックループがあるため、制御はかなり高度になります。
電流モードの利点には、位相補償回路設計が大幅に簡略化され、電圧モードよりも負荷過渡応答が速いことが含まれます。電流検出の感度が高いため、ノイズ耐性が低いという欠点があります。しかし、より最近の設計では、この問題に対処するために電流検出部品がICに統合されています。
図12: 電流モード制御
ヒステリシス (またはバンバン) 制御は、ハードウェアで実施するのが最も簡単なDC/DCコンバータ制御戦略の別の形式です。この方法では、エラーアンプを使用せずに、コンパレータを使用して出力電圧を直接チェックします。コンパレータは、出力電圧が所定のしきい値レベルに達したか下回ったと判定したときに、スイッチを直接的にアクティブまたは非アクティブにします。コンパレータが行う直接制御と、位相補償が必要なくなったことにより、このアプローチは非常に迅速な過渡応答という利点をもたらします。しかし、ヒステリシス制御の結果、半導体スイッチの動作周波数が変動します。
2. ソフトスイッチング技術
上述の基本コンバータは、ハードスイッチング手法を用いて考案されています。DC/DCコンバータでは、ソフトスイッチング法として知られる高度な技術も可能です。これは、1つまたは複数の電源スイッチにおけるターンオンまたはターンオフスイッチング損失を無くすことを指します。これは、電源スイッチのターンオンおよびターンオフの両方が高電流および高電圧レベルで行われるハードスイッチングとは対照的です。
次に、スイッチングDC/DCコンバータの重要なパラメータを以下に示します。
- 効率: コンバータが入力電力をどれだけ効率的に変換できるかを示す、入力電力に対する出力電力の比率
- ロードおよびラインレギュレーション: 変化する負荷および入力電圧条件下で、それぞれ安定した出力電圧を維持する能力
- 過渡応答: 負荷または入力電圧の急激な変化に応答するコンバータの能力
- 定格電圧: これは、DC/DCコンバータが電圧をどれだけ上または下に変換できるかの制限を決めます。
- 定格電流: 安全に得られるDC/DCコンバータが負荷に供給する最大電流量。DC/DCコンバータがより大きな電流を供給できたとしても、過熱して誤動作する場合があります。
- 温度定格: これは、DC/DCコンバータが全負荷状態で動作すべき最高温度です。この安全限界を超えると、DC/DCコンバータが過熱して損傷したり、安全装置としてシャットダウンしたりする場合があります。
- リップル電圧: レギュレータの入力/出力電圧にどの程度のリップルが現れるかを考慮することが重要です。レギュレータの電圧リップル定格が要件を満たしていることを確認する必要があります。
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リニアDC/DCコンバータとスイッチングDC/DCコンバータの顕著な特徴の比較を表1に要約します。
表1: リニアDC/DCコンバータとスイッチングDC/DCコンバータの比較
| リニアレギュレータ | スイッチングレギュレータ | ||||
|
降圧 昇圧 降圧 / 昇圧 反転 |
可能 不可能 不可能 不可能 |
可能 可能 可能 可能 |
|||
| 効率 |
VO / VIN 大半は低い |
約95% 通常は高い |
|||
| 出力電力 |
一般的に数ワット 熱設計による |
大電力が可能 | |||
| ノイズ | 低 | スイッチングノイズがある | |||
| 設計 | シンプル | 複雑 | |||
| BOM | 数が少ない | 数が多い | |||
| コスト | 低 | 比較的高い | |||
アプリケーション
DC/DCコンバータのアプリケーションは、自動車、家庭用電子機器、携帯電話、スマートウォッチ、ロボット工学などの至る所にあり、これらは、デバイスの回路に最適な電圧レベルを提供するために使用されます。リニアコンバータとスイッチングコンバータの両方は、要件に依存して利用することができ、どのレギュレータが要件をよりよく満たすかを決定することができます。場合によっては、これらのコンバータを連携して使用できます。例えば、スイッチングDC/DCコンバータの出力におけるリップルを最小にするために、さらなる調整のためにリニアレギュレータを使用することができます。
結論
DC/DCコンバータは、広範囲の電子システムにおいて重要な役割を果たし、基礎となる回路の最適な性能および安全性のために安定した電圧レベルを提供します。ここでは、リニアコンバータとスイッチングコンバータの2つの基本的なタイプのコンバータを取り上げ、それらの動作原理、重要な設計パラメータ、比較、およびDC/DCコンバータの実際のアプリケーションについて説明しました。これは、読者にとってこの主題への有用な入門として役立つでしょう。
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