DC/DC電圧レギュレータの出力電圧リップルの測定と低減


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はじめに

最近の多くのサーバー、および通信機器やネットワーク機器は、ICやサブ回路に電力を供給するために、システムボード上に複数の電圧レギュレータを備えています。これらの電源レールは、多くの場合、非常に厳しい電圧公差 (< 1%) を持っています。フル帯域幅でリップル電圧を測定するなどの電力整合性測定は、システム設計要件を満たすために重要になります。

この記事では、定時調整 (COT) レギュレータの実装に基づく測定ガイドラインとリップル低減方法論を提供し、MPSのMPQ8633Bを使用して具体的な結果を得ています。

リップルとノイズの起源

フル帯域幅の出力リップルには、通常、LFリップルとHFノイズが含まれます。 図1は、降圧コンバータのLFリップルが出力電圧のAC成分であることを示しています。

 図1: 出力電圧リップルとノイズ

図1: 出力電圧リップルとノイズ

しかし、実用回路には別のAC成分があり、これは高周波 (HF) ノイズと呼ばれます。このノイズは、スイッチのオン / オフが切り替わると常に発生します。 図2は、降圧コンバータ出力段の実用回路を示しています。HFの動作状態を考慮すると、実際のインダクタは容量性インピーダンスのように動作し、実際のコンデンサは誘導インピーダンスのように動作します。したがって、出力段回路を簡素化することができます (図3を参照)。HFノイズは、主にインダクタ寄生容量 (CL) を通じたスイッチカップリングの高dV/dtによって誘導され、直列のインダクタンス (ESL) と同等です。

図2: 降圧コンバータの実用的な出力段回路

図2: 降圧コンバータの実用的な出力段回路


図3: HFドメインにおける降圧コンバータの簡素化出力段回路

図3: HFドメインにおける降圧コンバータの簡素化出力段回路

出力測定のセットアップ

正確な実験結果を得るためには、適切な測定設定を行うことが非常に重要です。従来の方法は、1MΩパッシブプローブを使用することです(図4を参照)。大きなループは周囲のノイズの多くを拾い、寄生インダクタンスを導入するため、このセットアップは真の電圧リップルとノイズを得ることはできません。 図5は、50Ω同軸ケーブルをベースにしたパッシブプローブよりはるかに小さいループ領域を示しています。同軸ケーブルには、シールド機能、小さなループ領域、信号減衰なしなどの利点があります。

図4: パッシブプローブによるリップル測定

図4: パッシブプローブによるリップル測定

図5: 50Ω同軸ケーブルによるリップル測定

図5: 50Ω同軸ケーブルによるリップル測定

図6は、同じ動作条件での出力リップル比較を示しています。HFノイズは同軸ケーブルによって効果的に低減されます。次のセクションでは、すべての実験結果は50Ω同軸ケーブルに基づいています。

a) 10個の1MΩパッシブプローブに基づく出力リップル

a) 10個の1MΩパッシブプローブに基づく出力リップル

b) 1本の50Ω同軸ケーブルに基づく出力リップル

b) 1本の50Ω同軸ケーブルに基づく出力リップル

図6: フル帯域幅でのリップル比較の出力

出力リップル低減

前述のとおり、HFノイズはインダクタ、出力コンデンサ、スイッチングノード電圧に関連しています。HFノイズを低減するには、次の3つの方法があります。

  1. スイッチングノードの電圧スパイクを減らします。
  2. 高周波動作でインダクタのインピーダンスを低減します。 
  3. 高周波動作で出力コンデンサのインピーダンスを低減します。

項目 1 の場合、最も効果的な戦略は、スイッチのターンオンおよびターンオフのスルーレートを減らすことです。これは、ブートストラップ抵抗を直列またはRCスナバ回路に追加することで実現できます。

スイッチングノードのスパイクをできるだけ低くすれば、ノイズカップリング・ループを最適化できます。まず、データシートに従って寄生容量が低いインダクタを選択します。次に、ノイズリング周波数の周囲の出力コンデンサのインピーダンスを最小限に抑えます。通常、降圧コンバータのノイズリング周波数は、約数百MHzです。

X5R / X7Rセラミックコンデンサは、電解コンデンサやタンタルコンデンサと比較してESRとESLが低いため、フル帯域幅リップルを低減するために人気があります。一般的に、セラミックコンデンサが小さいほど高周波数でインピーダンスが低くなります。しかし、小型セラミックコンデンサも容量の値が限られています。そのため、従来のX5R / X7Rセラミックコンデンサは、インピーダンスを約数百MHzに低減する最良の方法ではありません。

図7は、低インピーダンス特性によるHFノイズリダクション用に選択されたNP0セラミックコンデンサを示しています。また、インピーダンス特性は、キャパシタンス値にも関連しています (図8参照)。HFノイズリンギング周波数によれば、数百pFのNP0コンデンサがこの場合に適しています。

図7: 1000pF X7RキャップとNP0コンデンサのインピーダンス比較 (0603サイズ)

図7: 1000pF X7RキャップとNP0コンデンサのインピーダンス比較 (0603サイズ)

図8: 異なる値NP0コンデンサ (0603サイズ) のインピーダンス変更

図8: 異なる値NP0コンデンサ (0603サイズ) のインピーダンス変更

下のアプリケーションの回路図では、NP0コンデンサがICの近くに配置され、リップルテストポイントが出力コンデンサの端に配置されています (図9参照)。このように、ほとんどのHFノイズはNP0コンデンサでフィルタリングされ、LFリップルのほとんどは大きな値X5R / X7Rのコンデンサでフィルタリングされます。

図9: NP0コンデンサまたはLICCを使用したCOTレギュレータアプリケーションの概略図

図9: NP0コンデンサまたはLICCを使用したCOTレギュレータアプリケーションの概略図

図10 は、一般的なセラミックコンデンサとNP0コンデンサとの出力リップル電圧の比較を示し、NP0コンデンサの有効性を証明しています。NP0を用いることでHFノイズが大幅に低減します。

a) 出力リップル 1x180pF 0603 X7Rコンデンサと3x100μF 1206 X7Rコンデンサ

a) 出力リップル 1x180pF 0603 X7Rコンデンサと3x100μF 1206 X7Rコンデンサ

b) 出力リップル 1x180pF 0603 NP0コンデンサと3x100μF 1206 X7Rコンデンサ

b) 出力リップル 1x180pF 0603 NP0コンデンサと3x100μF 1206 X7Rコンデンサ

図10: 異なる出力コンデンサタイプでのフル帯域幅出力リップル電圧比較

結論

この記事では、DC/DC電圧レギュレータの出力リップルのソースを分析し、異なる測定セットアップを比較し、出力リップルを減らす方法について説明しました。COTレギュレータは、高周波域でのSW電圧スパイク、インダクタのインピーダンス、出力コンデンサのインピーダンスを最適化し、出力リップルと高周波ノイズを低減します。50Ω同軸ケーブルは、出力リップル電圧測定に最適な試験ツールです。MPS のMPQ8633Bは、これらの問題に対処するのに理想的なCOTレギュレータです。

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