DC-DCコンバータ｜基礎編

昇圧型DC-DCコンバータの出力リップル電圧 動作条件による昇圧型DC-DCコンバータの出力リップルの変化

2023.05.30

この記事のポイント

・昇圧型DC-DCコンバータの出力はパルス電流なのでESLの大きな大容量コンデンサでは高周波ノイズが除去できないので、小型小容量セラミックコンデンサを電源の出力直近に追加する。

・昇圧型DC-DCコンバータではインダクタンス値を大きくしてインダクタリップル電流を小さくしても出力リップル電圧の大きさに影響しない。

・昇圧型DC-DCコンバータの出力リップル電圧の大きさは出力電流値に比例し、最大出力電流時に最大となるが、無負荷になってもゼロにはならず逆にすこし大きくなる場合もある。

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2つ目の「動作条件による昇圧型DC-DCコンバータの出力リップルの変化」についてです。

昇圧電源の出力リップル電圧の波形と大きさの依存性を「昇圧型DC-DCコンバータの出力リップル電圧の波形」、「インダクタンス値の変更で出力リップル電圧はどうなるか」、「出力電流が変化するとリップル電圧はどうなるか」で説明します。

昇圧型DC-DCコンバータの出力リップル電圧の波形

降圧型DC-DCコンバータの出力リップル電圧の波形は三角波状の直線的に増減する充放電電流により丸い形となります。昇圧型DC-DCコンバータでは充電電流は台形状、放電電流は四角い定電流状態となります。定電流充電により発生する電圧は三角波状の電圧となります。ただし充電から放電、放電から充電に移行する電流変化速度が降圧型に比べてはるかに速くなります。高速電流変化によりコンデンサのESL成分にはスパイク状の微分電圧が発生し、高周波ノイズの成分が非常に大きくなります。このスパイク状のノイズの周波数成分は非常に高い周波数となり、出力コンデンサに使用される数10μF級の大容量コンデンサの周波数特性では除去できません。数10MHz帯の高周波ノイズを除去するためには、0.1μF以下の高周波特性の優れた小容量の小型セラミックコンデンサを、ハイサイドスイッチの出力直近に接続して高周波ノイズをバイパスします。

昇圧型DC-DCコンバータの出力リップル電圧の波形

インダクタンス値の変更で出力リップル電圧はどうなるか

降圧コンバータではインダクタンス値を大きくするとインダクタリップル電流が小さくなり、出力コンデンサでの充放電電荷量が小さくなるので出力リップルが減少します。このため低ノイズ電源が必要な場合は、インダクタンス値を大きめにする設計がおこなわれます。昇圧コンバータでもインダクタンス値を大きくするとインダクタリップル電流は小さくなります。これにより出力コンデンサへの充電電流のパルスのピーク値は小さくなりますが、平均電流の値は変わらないのでコンデンサへの充放電電荷量は変化しません。したがって、昇圧コンバータではインダクタンス値を大きくしてインダクタリップル電流を小さくしてもリップル電圧は小さくならず、インダクタンス値の大小はリップル電圧の大きさには影響しないことになります。インダクタンス値が小さくなると充電時の電流変化量は大きくなるので充電時は丸みをおびた電圧波形となりますが、放電時にはインダクタ電流は影響しませんので負荷電流により直線的に低下する電圧波形となります。

インダクタンス値の大きさによるリップル電圧への影響

同じ定格電流のインダクタでインダクタンス値を大きくするとインダクタの物理サイズも大きくなり高コストとなります。負荷電流が変化したときにそれに追従してインダクタ電流を増減する必要がありますが、リップル電流が小さいとインダクタ電流の増減変化速度が遅いので、負荷電流が増減した変化への追従速度も遅くなります。低コスト化と負荷過渡応答特性を考えると、昇圧型DC-DCコンバータのインダクタンス値は小さい方が良いことになります。

出力電流が変化するとリップル電圧はどうなるか

次に負荷電流の大きさによるリップル電圧への依存性です。降圧型DC-DCコンバータでは出力電流が変化してもリップル電圧は変化しませんでしたが、昇圧型DC-DCコンバータでは出力電流に大きく依存します。負荷電流IOUTが大きいときは充電パルスの波高値も高くCOへの充放電電流が多くなり、リップル電圧が大きくなりますが、負荷電流IOUTが小さいときはCOへの充放電電流が減少してリップル電圧も小さくなりなり、無負荷ではほとんど0になります。昇圧コンバータでは出力電流にほぼ比例してリップル電圧が増減するという動作となるので、最大負荷電流時にリップル電圧が問題のないレベルかどうかを確認する必要があります。

負荷電流がさらに減少して無負荷になると、出力コンデンサからの放電がなくなり電圧が低下しなくなるのでエネルギー供給が不要となりスイッチングが停止する状態になります。出力コンデンサでの充放電がなくなるので電圧変動がなくなり、出力リップル電圧はゼロになります。実際には負荷電流は無負荷でも電圧設定抵抗などに流れる電流により徐々に電圧が低下するので、時々スイッチングして低下した電圧を回復します。このときスイッチングはローサイドスイッチのもっとも短い時間でのスイッチングによる最小エネルギーの供給となり、供給電荷量による電圧上昇が発生し、電圧がある程度低下するまで次のスイッチングがスキップされます。この動作により無負荷でも小さなリップル電圧は発生します。

出力電流の大きさによるリップル電圧の変化

軽負荷時には出力電力に対してスイッチング動作による電源回路の自己消費電力の方が大きくなり、効率が悪化してしまいます。これを改善するために軽負荷モードという軽負荷時の効率を改善する動作モードに切り替わる機能をもった製品があります。軽負荷時に最小のオン時間でのスイッチングではなく、オン時間を長めにして1回のスイッチングでのエネルギー量を増加させます。出力コンデンサへの充電量を増加させて、電圧上昇を大きくして電圧が低下するまでの時間を長くしてスイッチング周期を延長します。これによりスイッチング回数を大幅に減少させることになり、自己消費を減少できるので、軽負荷時の効率を改善することができます。しかしこの制御方式の場合、スイッチング1回あたりの充放電量の増加からリップル電圧が大きくなるので注意が必要です。

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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。

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