DC-DCコンバータ｜設計編

ノイズ対策：スナバ回路、ブートストラップ抵抗、ゲート抵抗

2017.03.14

この記事のポイント

・スナバはスイッチングのリンギングを低減することができるが、効果と損失はトレードオフ。

・ブートストラップに抵抗を追加すると立ち上げのノイズを低減できるが、MOSFETのスイッチング損失が増える。

・ゲートに抵抗を入れると立ち上がり/下がり両方のノイズを低減できるが、MOSFETの損失が増加する。また、MOSFET内蔵タイプのICには抵抗を挿入できない。

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今回は、ノイズ対策の2回目です。今回の対策は、ノイズを低減する回路の追加や部品の追加でノイズを減らすアプローチを3つ説明します。

スナバ回路の追加

スナバ回路の追加は、ノイズを低減するためによく使われる手法です。今回は出力へのスナバ回路の追加ですが、入力にも使われます。この例では、スイッチングノードにRCを追加することで、スイッチングによるリンギングの高周波をGNDに逃がす動作をします。

ただし、スナバ回路の追加によって損失が生じます。効果を高めるためにコンデンサの容量を増やすと、抵抗はその電力を許容する必要あります。以下にスナバロスの式と計算例を示します。

降圧DC-DCコンバータのノイズ対策。スナバ回路の追加によりスイッチングノードのリンギングノイズを低減

損失計算例） スナバ抵抗：10Ω、スナバコンデンサ：1000pF、入力電圧12V、発振周波数1MHzの場合の
抵抗の許容損失
スナバロス　 P ＝ C ×V2 × fsw
1000pF × 122 × 1MHz ＝ 0.144W ⇒ 抵抗の定格電力はMCR18(3216)：0.25W以上必要

ブートストラップに抵抗を挿入

ハイサイドスイッチにNch MOSFETを使うICには、BOOTピン（ICによって名称がちがう場合あり）があります。これは、出力電圧をブートストラップ回路（多くはICに内蔵）に供給し、ハイサイドMOSFETに十分なゲートドライブ電圧を与える機能です。BOOTピンはスイッチングノードにつながっているため、ここに抵抗を挿入することで、ハイサイドMOSFETオン時の立ち上がりを緩やかにすることができます。これによって、スイッチオン時のノイズを緩和することができます。デメリットとしては、スイッチング時間が遅くなるので、MOSFETのスイッチング損失が増加します。

降圧DC-DCコンバータのノイズ対策。ブートストラップに抵抗を挿入し、ハイサイドMOSFETの立ち上がりを緩やかにする

ハイサイドMOSFETのゲートに抵抗を挿入

これは、ハイサイドMOSFETのゲートドライバーとゲート間に抵抗を挿入することでゲートチャージを制限し、ハイサイトMOSFETの立ち上がりと立ち下がりを、俗に「なまらせる」などともいいますが穏やかにすることでオンオフ時両方のノイズを低減する方法です。ブートストラップの抵抗追加と同じように、MOSFETのスイッチング損失が増大します。ただし、この方法はスイッチ内蔵タイプのICには使えません。スイッチングが外付けになるコントローラICを使った構成でのみ利用できる方法です。

降圧DC-DCコンバータのノイズ対策。ハイサイドMOSFETのゲートに抵抗を挿入、ハイサイドMOSFETの立ち上がりおよび立ち下がりを緩やかにする

次回は、PCBレイアウトのまとめをします。

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降圧型DC-DCコンバータの基板レイアウトの基礎と事例を示したハンドブックです。スイッチング方式のDC-DCコンバータの安定性も大きな影響を及ぼす基板レイアウトの考え方や注意点を説明しています。

ノイズ対策：スナバ回路、ブートストラップ抵抗、ゲート抵抗
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