DC-DCコンバータ｜基礎編

昇圧型DC-DCコンバータの最大出力電流 入出力電圧と部品定数による最大出力電流

2023.01.26

この記事のポイント

・同じ負荷電流の場合、入力電圧が低下する程入力に必要な電流は大きくなり、ローサイドスイッチに流れる電流も大きくなる。

・電池駆動の場合は入力電圧の低下だけではなく、電池の内部抵抗の増加による電池端子電圧の低下、及び電池端子電圧低下による更なる電流増加による悪循環の発生も考慮する必要がある。

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3つ目（最後）の「＜変更例：入力電圧と最大出力電流」についてです。

入出力電圧の組み合わせと部品定数による最大出力電流

エネルギ源が電池の場合は入力電圧が変動するので、電池電圧が何Vに低下するまで使用するのか、最低電圧時に出力可能な電流に注意することが必要です。

乾電池の場合、新品の電池では1.55V程度、終止電圧は0.9Vとすると、乾電池2本から3.3Vに昇圧する場合、入力電圧は3.1Vで始まり、終止電圧の1.8Vまで使用することになります。注意点は、昇圧コンバータの場合入力電圧が下がる程入力電流が増加します。入力電力が3Wの時、入力電圧が3Vなら入力電流は1Aとなりますが、入力電圧が1.8Vまで低下すると電流は1.67Aまで増加します。

入力電圧が低下すると最大出力電流は減少するので電池駆動の場合は要注意

安定化電源による電源供給なら1.8Vの供給電圧で動作させても安定化電源は電流供給能力があるので問題なく動作します。しかし、電池の場合、電池電圧が低下する程電池の内部抵抗が大きくなるので、電池電圧の低下と電池内部抵抗の増加で電流増加時に電池端子電圧が大幅に低下します。供給電圧の低下により入力電流が更に増加すると電流の2乗で発生する導通損の増加により電源の変換効率ηが低下し入力電流は更に増加します。これにより電池電圧の更なる低下を発生して入力電流が更に増加するという悪循環が発生してしまい、電源が動作可能な最低入力電圧以下まで急速に落ち込みます。まだ電池残量があるのに負荷電流が増加したとたんに電源がシャットダウンしてしまい、いきなり機器が使用不可能になってしまう場合があります。

電池の内部抵抗は電池の種類にもよりますが、新品では数10mΩ程度ですが使用末期には数100mΩ～数Ωのレベルまで増加します。機器の稼働時間の短縮や不用意なシステムダウンを防止するためにも電池の内部抵抗には注意が必要となります。
 ＊乾電池だけではなく、Li-ION 2次電池なども電池残量低下で内部抵抗は増加します。

乾電池の内部抵抗による供給電圧の低下

電池電圧を監視できる場合は、電池電圧の低下に伴い、CPUクロックを低速化し負荷電流のピーク値を下げるなどの低消費動作に切り替えることにより、電池の内部抵抗が上昇しても電池の端子電圧低下を抑制することができます。電池末期での電子機器の処理能力は低下しますが、不用意な電源のシャットダウンを防止し、電池の残存エネルギを稼働データの保存と安全なシステムシャットダウン時間の確保などに有効に使用することが可能となります。

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