MPSの昇圧、降圧、昇降圧型コンバータ入門

PDFのダウンロード

Tweet this article

Share this article

Share this article

役立つ情報を毎月お届けします

購読する

プライバシーを尊重します

• インダクタ: インダクタは、電流が流れるときにエネルギーを蓄える電子的な受動素子です。インダクタは通常、エネルギーの貯蔵と放出の両方に使用され、V_INが変動した場合にV_OUTを安定化することができます。
• スイッチングトランジスタ: スイッチングトランジスタ (スイッチとも呼ばれる) は、オンとオフを切り替えることで電流の流れを制御します。オフのときに電流は流れず、オンのときは電流が流れます。この電流制御により、V_OUT制御が可能になります。正確な電流の流れを必要とするアプリケーションにはスイッチが推奨されます。
• ダイオード: ダイオードは、電流を一方向に強制的に流す保護デバイスです。これにより、逆電圧状態を防ぎ、入力から出力まで回路に電流が流れるようにします。
• コンデンサ: コンデンサは電界内で電気エネルギーを蓄積し、放出します。インダクタとは異なり、コンデンサは電流を蓄積せず、電気エネルギーを蓄積して放出するだけです。入力コンデンサと出力コンデンサの両方を回路内で使用してV_INとV_OUTを安定化することができます。また、V_OUTまたはV_INが突然上昇したり下降したりする電圧リップルを最小限に抑えます。

図1は簡略化されたDC/DCコンバータ回路を示しています。この例には、電源 (E)、インダクタ (L)、スイッチ (S)、ダイオード (D)、コンデンサ (C) が含まれていますが、多くのコンバータの図はより複雑で、さらに部品があります。

図1 : 簡略化された回路

3つの基本的なコンバータのタイプはすべて、同期または非同期で動作できます。同期整流のために、通常、電流の流れを制御するために金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) が使用されますが、非同期整流では少なくとも1つの受動ダイオードが使用されます。非同期コンバータは外部ダイオードでの電力損失により効率は低くなりますが、費用対効果は高くなります。 最終アプリケーションの要件に基づいた、同期コンバータまたは非同期コンバータを選択します。

昇圧型コンバータ

昇圧型コンバータはステップアップコンバータとも呼ばれ、V_INをより高いV_OUTまで上昇させるDC/DCコンバータです。電圧を上げるために、昇圧型コンバータはソースから電力を引き出し、後続のデバイスに電力を供給します。そうしないと、システムは故障します。昇圧型コンバータは、次のようなさまざまなアプリケーションで利用できます。

• バッテリー駆動デバイス: バッテリーを使用するデバイス (スマートフォンやLED懐中電灯) は、バッテリー電圧が低下してもコンバータが一定の電圧を維持するため、昇圧型コンバータの恩恵を受けることができます。
• 電気通信: バッテリー駆動のデバイスと同様に、通信アプリケーションでは、昇圧型コンバータを使用して、低い入力電圧から安定した出力電圧を提供します。昇圧型コンバータは基地局で利用することができ、無線周波数 (RF) 送信機の信頼性を高めるのに役立ちます。 これらの送信機にはRFリモコンなどがあります。

図2は標準的な昇圧型コンバータのトポロジーを示しています。この図では、インダクタ (L) からの磁気エネルギーを、低電圧源 (V_IN) からV_OUTの高い電圧源に伝達します。スイッチ (S) をオンにしてインダクタを電源 (E) に接続します。Eはインダクタ電流 (I_L) を強制的に上昇させ、V_INを充電できるようにします。

図2 : 昇圧型コンバータ トポロジー

MPS昇圧型コンバータの例

MP28600は、超低静止電流 (自己消費電流) を備えた同期昇圧型コンバータで、充電間隔を長くすることにより煙・熱検知器、フィットネスマシン、赤外線非接触温度計などに最適です。このデバイスは、0.7VのV_INという非常に低い電圧で起動し、起動後に0.1VのV_INの低さまで動作でき、電圧低下が発生した場合でも連続動作が可能になります。

さらに、MP28600は、V_INがV_OUTを超えた場合でもV_OUTを目標値に調整する独自のダウンモードを備えています。この機能は、通常、降圧コンバータまたは昇降圧コンバータ専用ですが、設計に柔軟性をもたらし、昇圧型コンバータにとって通常は最適ではない条件でもデバイスが動作できるようにします。

MP28600は、スタンバイモード時の消費電力が非常に低いためウェアラブルアプリケーションで使用できます。です。MP28600は、3.3µHインダクタであるMPL-AT2512-3R3と組み合わせて、ソリューション全体を完成できます。また、デバイスが過熱してデバイス自体や近くの部品が損傷するのを防ぐためのサーマルシャットダウンも備えています。

降圧型コンバータ

ステップダウンコンバータとも呼ばれる、降圧型コンバータは、昇圧型コンバータとは逆の機能を持ち、高いV_INを低いV_OUTまで下げます。これは、あるデバイスが受信側デバイスにとって高すぎる電圧を出力する可能性があるシステムでは非常に重要です。降圧型コンバータは、停電につながる可能性のある過電圧状態を防止します。降圧型コンバータを使用するアプリケーションには次のようなものがあります。

• 自動車 (電気自動車): 電気自動車 (EV) を充電する場合、降圧型コンバータはグリッド電圧を車両の指定電圧まで降圧し、安全で信頼性の高い充電を保証します。
• コンピュータ: CPUおよびGPUは、正確な電力を供給することで過熱や損傷から保護するために降圧型コンバータを使用します。

図3は代表的な降圧型コンバータのトポロジーを示します。この回路には、電源 (E)、スイッチ (S、通常はMOSFET)、ダイオード (D)、LCフィルタ、および負荷 (R) があります。矢印は電流の流れる方向を示します。

図3 : 降圧型コンバータトポロジー

MPS DC降圧型コンバータの例

MPSは設計のニーズを満たすために450の降圧型コンバータを提供しており、V_INは最低2V、最高100Vです。

一例として、MP4581があり、8Vまたは100VまでのV_INを受け入れることができます。MP28600と同様に、MP4581はMPL-AY3020-8R2とMPL-SE6040-8R2などのMPSインダクタとの使用に最適化されています。このデバイスはコンスタントオンタイム (COT) 制御を提供し、高速な過渡応答とループの安定化を実現します。外付け抵抗を使用してスイッチング周波数 (f_SW) を設定できます。

MP4581のV_OUT範囲は1Vから30Vです。幅の広いV_IN範囲と組み合わせて、この降圧型コンバータは数えきれないほどのアプリケーションで使用できます。例えば、MP4581はMP27631のようなデジタルアイソレータとMIE1W0505BGLVHのような電源モジュールとともに電動自転車ソリューションを完成できます。高効率な動作により、 停電時の電力供給に使用できる低電圧エネルギー貯蔵や、 個人プロジェクトや産業プロジェクトに使用できる動力工具にも最適です。

MP4581は、電流の暴走を防ぐための過電流保護 (OCP) と短絡保護 (SCP) を備えています。

昇降圧型コンバータ

昇降圧型コンバータは、 必要に応じてV_INをV_OUTの上、下、または等しく調整することで、昇圧型コンバータと降圧型コンバータの両方として機能できます。これらは非常に汎用性の高いコンバータであり、次のような予測不可能なV_INのシステムでは特に重要です。

• 無停電電源装置 (UPS): UPSは、主電源が故障した場合にバックアップを提供するために一定の電圧を必要とします。電圧スパイク時にV_INを下げることができ、 電圧サグ時にV_INを上昇させてV_OUTが変化しないようにすることもできます。
• 携帯電子機器: GPSトラッカーのような多くのハンドヘルド機器は電圧変動があり、V_INを目標のV_OUTに素早く調整できないと停電につながる可能性があります。

図4は、昇圧型コンバータと降圧型コンバータの両方のトポロジーに似ている昇降圧型トポロジーを示しています。昇圧型コンバータと同様に、電源 (E) がインダクタ (L) を充電し、電流の流れは降圧型コンバータと同様に配置されたスイッチ (S) によって制御されます。

図4 : 昇降圧型トポロジー

MPSの昇降圧型コンバータの例

MP4248は、2つのローサイドMOSFET (LS-FET) とハイサイドMOSFET (HS-FET) を小型のQFN-20 (3mm x 5mm) パッケージに内蔵した設定可能な昇降圧型コンバータです。V_INの範囲は3.6V～36Vの間ですが、1V～36VのV_OUT範囲では1%の精度です。MP4248はUSB電力供給 (PD) アプリケーションで使用でき、USB-PD 3.1 EPR AVSおよびPPS仕様に準拠しています。

最大100Wの出力電力 (P_OUT) を供給できるため、MP4248は、心電図とモバイルバッテリーのようなアプリケーションに推奨されます。

MP4248は、I2Cインタフェースを介して、基準電圧 (V_REF) とf_SWなどの追加のパラメータの柔軟性を設定することができます。保護機能には、過電圧保護 (OVP)、サーマルシャットダウン、定電流 (CC) 制限などがあります。

結論

昇圧型コンバータ、降圧型コンバータ、昇降圧型コンバータは、機能がまったく異なる比較的類似したデバイスです。昇圧型コンバータ (MP28600など) がV_INを高くしてV_OUTを高くし、降圧型コンバータ（ MP4581など)がVINを低くしてV_OUTを低くするのに対し 、昇降圧型コンバータ (MP4581) は必要に応じて、目標V_OUTに合わせるためにV_INをフレキシブルに調整できます。

本稿では、これら3つのコンバータの基本的な違いとアプリケーションを紹介するとともに、一般的なトポロジー、必要な外部部品、さらには使用できるアプリケーションなど、いくつかの類似点も紹介しました。

MPSは、さらに幅広いアプリケーションに対応する500種類以上のコンバータを提供しています。フィットネスマシン、低電圧エネルギー貯蔵、および、心電図などに使用できる、MPSの昇圧型コンバータ、降圧型コンバータ、および、昇降圧型コンバータの堅牢なカタログをご覧ください。

_______________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!