DC-DCコンバータ｜基礎編

昇圧電源の出力でのスイッチングノイズの低減 昇圧型DC-DCコンバータで発生する高周波ノイズの低減方法

2023.08.17

この記事のポイント

・共振エネルギーとインダクタンス成分の減少はリンギングを低下させる

・ハイサイドスイッチの高速化によりターンオン遅延とリカバリ電流の減少により共振エネルギー量を低下させる

・出力ループでもっとも大きなインダクンス成分を持つ出力コンデンサを低ESL化する

・ローサイドスイッチ、ハイサイドスイッチ、出力コンデンサが作る出力の1ターンループ自体がインダクタンス成分を持つのでループの持つ面積が最小となる基板設計をする

・LC共振をゼロには出来ないのでノイズが問題となる場合はフェライトビードと小型小容量セラミックコンデンサによるハイカットLCフィルタを出力に付けて除去する

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2つ目の「昇圧型DC-DCコンバータで発生する高周波ノイズの低減方法」についてです。

昇圧電源で発生する高周波ノイズの低減方法を「共振エネルギーとインダクタンスの減少による高周波ノイズ低減」、「ターンオンの高速化とリバースリカバリ電流の最小化」、「出力ループのインダクタンス成分の最小化」、「部品の配置による出力ループ面積の最小化」、「共振をゼロには出来ないのでLCフィルタを追加」で説明します。

共振エネルギーとインダクタンスの減少による高周波ノイズ低減

高周波ノイズを低減させるには、ローサイドスイッチのオンオフ直後に発生するリンギングのエネルギーを減少させることが必要です。また、LC共振振動はインダクタ成分とコンデンサ成分とのエネルギーの受け渡しで発生するので、インダクタまたはコンデンサがなければ共振は発生しません。出力ループがもつインダクタンス成分を低下させると、蓄積エネルギー量の減少によりLC共振が小さくなり高周波ノイズを低減することができます。

ターンオンの高速化とリバースリカバリ電流の最小化

ローサイドスイッチのターンオフ時に発生するリンギングのエネルギーを低減するにはスイッチノード電圧VSWのオーバーシュートを減らす必要があります。ハイサイドスイッチのターンオン遅延を減らすためにターンオン遅延の小さな高速ダイオードを選択します。

ローサイドスイッチのターンオン時に発生するリンギングのエネルギーの低減にはリバースリカバリ電流を小さくする必要があります。出力電圧が低いダイオード整流の場合はダイオードにショットキーバリアダイオードを使用します。ショットキーバリアダイオードはPN接合によるシリコンダイオードと異なり、整流動作にホールを使用していないのでリカバリ電流が流れず、VFもシリコンダイオードより低いので効率も良くなります。しかし逆バイアス時に逆流する漏れ電流はシリコンダイオードより大きいので出力電圧が高く高温環境での使用の場合には熱暴走への注意が必要となります。出力電圧が数100Ｖと高く、逆耐圧や熱暴走の問題からショットキーバリアダイオードが使用できない場合はシリコンダイオードの一種ですが、リカバリ電流の小さなファストリカバリダイオードを使用します。VFは普通のシリコンダイオードよりも高くなりますが出力電圧が高い場合には効率低下への影響は小さくなります。

ダイオード整流の場合はダイオードの選択に注意が必要ですが、同期整流の場合ハイサイドスイッチに使用されるFETに寄生ダイオードがあり、FETから取り除けないので高性能なダイオードに変更することはできません。寄生ダイオードにはデッドタイム時に電流が流れてしまいますが、寄生ダイオードはPN接合によるシリコンダイオードと等価でありダイオードとしての特性はよくありません、このために同期整流方式ではデッドタイムの最短化制御により寄生ダイオードに流れる電流が最小となるようにゲート駆動タイミングの制御によりターンオン遅延とリカバリ電流の最小化を行います。

出力ループのインダクタンス成分の最小化

ハイサイドスイッチがターンオンして高速のパルス電流が出力コンデンサに流れ込みますが、出力コンデンサのESLにより逆起電力が発生し、出力コンデンサでもパルス状の高電圧が発生し、その後流れる電流によりESLに磁気エネルギーが蓄積され共振振動のエネルギー源となります。出力コンデンサに低ESLの製品を選択することにより、パルス電圧の波高値の低下と、蓄積するエネルギー量の減少により発生する共振振動を低下させ、高周波ノイズを減少させることができます。しかし、昇圧型DC-DCコンバータでは高耐圧かつ大容量のコンデンサを必要とするので物理サイズも大きくなり、ESLが小さなコンデンサは入手が困難となります。1個の大容量のコンデンサではなく、1/Nの容量コンデンサをN個並列にします。これにより1個当たりのコンデンサの小型化による低ESL化と並列接続によりESLがさらに1/Nに低下します。この方法には効果はあるのですが、N数を増やすと部品合計価格は上昇してしまうのでコスト的には問題となってしまいます。

出力コンデンサの低ESLによる出力ループの低インダクタンス化

そこで、小容量の小型セラミックコンデンサを追加することにより、出力ループの低ESL化を行います。ハイサイドスイッチのターンオンにより出力コンデンサに発生する高速な電流変動が発生する時間は数ns～数10nsで流れる電流が数A（アンペア）の場合、100nC程度の電荷量しかないので、1μF未満の小容量のコンデンサでも低ESLであればこの電荷量を受け取っても大きな電圧上昇は発生しません。インダクタ電流の大きさにもよりますが、小容量電源の場合0.1μF程度の小型のセラミックコンデンサをハイサイドスイッチの出力側とローサイドスイッチのグランド側の間に最短距離となるように配置します。これにより出力コンデンサの持つ大きなESLを経由しないで出力ループの持つインダクタンス成分を最小化することが可能となります。

部品の配置とパターン設計による出力ループ面積の最小化

出力のループが持つインダクタンス成分でもっとも大きな割合を占めるのは出力コンデンサのESLです。小容量の小型セラミックコンデンサを並列接続することによりESＬによるインダクタンスを大幅に低下させることができます。しかし部品間をつなぐ基板のパターンによる配線もインダクタンスとなりますし、出力のループ自体が1ターンのインダクタになります。配線によるインダクタンスを小さくするには部品間の配線距離を最短とすることにより低下できます。また、出力の1ターンループ自体が持つインダクタンスはループの面積に比例するのでループの面積が最小となるように部品の配置を行います。次に部品間の配線のパターン幅を拡張してループ内の空間を埋めることによりループ面積を最小化します。

出力ループの低インダクタンス化によるリンギングの抑制

また、共振は出力ループで発生するので共振電流は出力ループを流れますが、ループに流れる高周波の共振電流は周囲空間に高周波の変動磁場を形成します。この変動磁場はEMIとなり空間を伝搬して周囲にノイズを拡散させることにもなりますが、ループに流れる高周波電流により発生する空間磁場の強さもループの面積に比例します。ループの面積を小さくすることはノイズの発生量を小さくするだけではなく、空間に放射されるEMIも小さくする効果がありますので、ループ面積の最小化はノイズ対策に非常に重要な項目となります。

共振をゼロには出来ないのでLCフィルタを追加

ローサイドスイッチであるFETのCOSSはゼロにはなりませんし、出力ループのインダクタンス成分もゼロには出来ませんし、スイッチのターンオンオフ速度も高速化しているので高周波ノイズをゼロにすることはできません。出力で発生する高周波ノイズを負荷回路に伝達させないためには、数100MHz帯のノイズ除去特性に有効なフェライトビーズと、数100MHz帯域でも低ESL特性を示す1000 pF程度の小型セラミックコンデンサを使用した、ハイカットLCフィルタを電源出力ラインに挿入するのが効果的です。

ハイカットLCフィルタによる高周波ノイズの除去

特にフェライトビーズは高周波でのインピーダンスのほとんどが抵抗成分となり、高周波の電気エネルギーを抵抗成分によりジュール熱で消費してくれるのでノイズ対策に非常に有効です。

【資料ダウンロード】 スイッチングレギュレータの基礎

降圧型スイッチングレギュレータを題材とし、その動作や機能などの基礎を解説しています。リニアレギュレータとの比較、同期整流とダイオード整流、制御方式、補助機能なども併せて説明しています。

昇圧型DC-DCコンバータで発生する高周波ノイズの低減方法

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