DC-DCコンバータ｜基礎編

電源回路の代表的な7方式： 低雑音型から昇圧型まで！

2024.06.19

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現代の電子システムは、CPU、FPGA、アナログIC、RF、アンテナなど、数百～数千の膨大な数の半導体と電子部品でぎっしりです。
これらの電子部品のパフォーマンスを引き出すためには安定で品質の高い電圧や電流を供給できる「電源回路」が欠かせません。電源回路を設計する第1歩は、目的に合った回路方式を正しく選ぶことです。
本稿では、プロセッサー向けからモーター駆動用まで、よく使う電源回路の種類とそのメカニズムを解説します。

電力を効率的に変換する基本回路方式「リニア・レギュレータ」

・部品が少なく作りやすい

図1に示すのは、制御回路とパワー・トランジスタを内蔵するワンチップIC「3端子レギュレータ」を使ったリニア・レギュレータです。数点（3～5点）の部品で簡単に構成できます。
電源ラインに直列（シリーズ）に電圧を制御する素子が配置されているため「シリーズ・レギュレータ」とも呼ばれます。

・雑音も小さい

リニア・レギュレータは、電流制御素子であるパワー・トランジスタを非飽和領域で連続動作させるため、スイッチング電源と比べて雑音が断然小さいという特徴があります。高い信号純度が求められる高周波回路や計測用のアナログ回路に利用されます。
パワー・トランジスタをON/OFF駆動するスイッチング・レギュレータは、小型で大出力が得られるため、今どきの電源回路の主流ですが、急峻な電流変化が周波数の高い強力な電磁ノイズを生み、配線や空間を伝搬して周辺の繊細な回路の動作や性能に悪影響を及ぼします。

図1：リニア・レギュレータの基本回路
図1：リニア・レギュレータの基本回路

・ヒートシンクが必要で小型化しにくい

図1に示すように、リニア・レギュレータの電流制御素子であるパワー・トランジスタには、次式で表される損失P_Cが発生し発熱します。
\(PC = (Vin – Vout) Iout\) （1）

ここで、VINは入力電圧、VOUTは出力電圧、IOUTは出力電流です。

リニア・レギュレータは、パワー・トランジスタがリニア動作を続けられるように、入出力間電圧が2V以下にならないような電源を入力側に用意する必要があります。負荷が重くなり（負荷抵抗が小さくなり）出力電流が増して、入力電源の出力電圧が低下しても、入出力間電圧差は2V以上をキープしなければなりません。例えば、5V/2A出力のリニア・レギュレータを構成するためには、出力電流が最大の2Aのときでも、入力電源は7V以上の出力電圧を維持しなければなりません。このときの電流制御素子の損失は、（7V－5V）×2A=4Wです。これは取り出せる電力5V× 2A=10Wの4割です。負荷が軽く、例えば500mAだったとしても、非安定な入力電源の出力電圧が10Vに上昇したとすると、損失は（10V－5V）×0.5A=2.5Wと小さくなく、放熱器は必須です。

以上のように、リニア・レギュレータは雑音が小さく構成部品が少ないという長所と、発熱が大きく小型化が難しいという短所をもっています。

降圧や昇圧を実現する汎用回路方式「DC-DC コンバータ」

・とにかく発熱が小さい

パワー・トランジスタのONとOFFの時間を制御して、出力電圧を一定に制御します。大電流を制御するパワー・トランジスタの損失が原理的に0Wであり、非常に高い効率で動作する点が、DC-DC コンバータの最大の特徴です。

パワー・トランジスタがONの期間は、コレクタ（ドレイン）-エミッタ（ソース）間電圧が0Vなので、どんなに大きな電流が流れても損失は原理的に0Wです。OFFの期間も電流が流れない（0A）ので、損失は同じく原理的に0Wです。

実際の回路はON時にもOFF時にもわずかなロスを生みますが、リニア・レギュレータの効率が60～70%であるのに対し、DC-DC コンバータは80～90%以上と圧倒的に高いです。

・降圧はもちろん、昇圧や昇降圧も可能

リニア・レギュレータは入力電圧を下げることしかできませんが、DC-DCコンバータは回路の接続を変更することで、降圧動作だけでなく、昇圧、昇降圧、反転も可能です。

例えば、+5Vを−5Vに変換したり、+5Vを+12Vに変換したりできます。+4～+3.0Vの範囲で変化する電源から3.3Vの一定電圧を出力する昇降圧動作ことも可能です。

・DC-DC変換のメカニズム

電流制御素子であるパワー・トランジスタ（Tr1）を数十k～数MHzという高周波でON/OFF駆動（スイッチング駆動）して、入力電圧から所望の電圧に変換して出力します。Tr1がONの期間は、インダクタ（L1）が励磁され、同時に負荷に電力が供給されます。Tr1がOFFの間、L1は電流を流し続けようとし、L1に蓄えられた電磁エネルギーがフリーホイール・ダイオードD1（還流ダイオードとも呼ぶ）を通じて転流します。つまり、Tr1がOFFの期間も出力側の電流は流れ続けます。
L1には入力電圧と出力電圧の差分が加わり、Tr1がONのときは電流が徐々に増して、OFF期間に減少します。L1の電流変化は、出力コンデンサC1によって均（なら）されます。その結果、L1の電流の平均値は出力電流にほぼ等しくなります。図2に、降圧型DC-DCコンバータの基本回路を示します。

図2：降圧型DC-DCコンバータの基本回路
図2：降圧型DC-DCコンバータの基本回路

・出力電圧とPWM信号のデューティの関係式

図3に、回路各部の電圧と電流の関係を示します。Tr1のON時のインダクタ電流の変化量∆ILは次式で表されます。

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{in}} – V_{\text{out}}}{L_1} \times t_{\text{on}}\) （2）

ここで、∆IL：Tr1ON時のL1の電流変化量［A］、VIN：入力電圧［V］、VOUT：出力電圧［V］、L1：インダクタL1のインダクタンス［H］、ton：PWM 信号のオン時間［s］です。Tr1のOFF時のインダクタ電流の変化量∆ILは次式で表されます。

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{out}}}{L_1} \times t_{\text{off}}\) （3）

図3：降圧型DC-DCコンバータ各部の電圧と電流
図3：降圧型DC-DCコンバータ各部の電圧と電流

出力電流が一定のときは、ON時とOFF時の電流変化量が等しくなるので、上記2式の∆ILの値は等しくなります。
式（2）と式（3）から、降圧型DC-DCコンバータの出力電圧と周期に対するオン時間の割合（オン・デューティ）［%］の関係式（4）が得られます。

\(V_{\text{out}} = \displaystyle \frac{t_{\text{on}}}{t_{\text{on}} + t_{\text{off}}} \times V_{\text{in}}\) （4）

ここで、toff：PWM 信号のオフ時間［s］です。

・フィードバック制御で出力電圧を一定に保つ

降圧型DC-DCコンバータは、出力電圧を常時モニタして、その変動に合わせてPWM（Pulse Width Modulation）信号のデューティ比を変化させ、出力電圧を一定に保ちます。負荷電流が増して出力電圧が低下したら、PWM信号のオン時間、つまりパワー・トランジスタのオン時間を伸ばして、入力電源から負荷への電流量を増やします。

逆に、負荷電流が減って出力電圧が上昇したら、PWM信号のオン時間を短縮して、入力電源から負荷への電流量を減らします。

図4に示すように、一定の周波数の三角波又は鋸歯状波を発生する発振器、基準となる電圧と出力電圧との電圧差から負帰還信号を出力する誤差増幅器（エラー・アンプ）、発振器出力と負帰還信号を比較するコンパレータなどで構成される制御回路によって、適切なデューティ比のスイッチング信号を生成します。

図4：出力電圧が変動しないフィードバック制御回路付き降圧型DC-DCコンバータ
図4：出力電圧が変動しないフィードバック制御回路付き降圧型DC-DCコンバータ

出力電圧が変動して負帰還信号のレベルが変わると、発振器出力との比較結果により、スイッチング周波数一定のままオン・デューティが変化して、出力電圧を補正します。結果として、出力電圧が一定に保たれます。

損失を抑えた効率向上型回路方式「同期整流型DC-DCコンバータ」

・フリーホイール・ダイオードのロスは小さくない

Tr1がOFFしている期間は、L1に蓄えられたエネルギーが、D1を通じて放出されます。D1に電流が流れると、順方向電圧（VF）と電流の積で求まる損失が発生します。VFの低いショットキー・バリア・ダイオード（SBD）でも、0.4～1.0Vあります。例えば、1Aの電流が流れると、0.4～1.0Wの小さくないロスが発生します。

フリーホイール・ダイオードには、Tr1がONした直後にも損失が発生します。Tr1がOFFからONに移行するわずかな期間、D1に順方向から逆方向に電圧が急峻に切り替わります。このとき、ダイオードのアノード-カソード間の寄生容量を通じて、大きなスパイク電流が流れます。流れる時間は短いですが、カソードに入力電圧に等しい高電圧が加わります。400Vの直流を出力するPFC後段のDC-DCコンバータなどでは、無視できない大きな損失が発生します。

現在は、次に紹介するフリーホイール・ダイオードをMOSFETに置き換えた「同期整流方式」が主流です。

図5に同期整流型DC-DCコンバータの回路を示します。図4に示す一般的なDC-DCコンバータのフリーホイール・ダイオードを、MOSFETに置き換えたものです。

図5：フリーホイール・ダイオードの損失を解消した同期整流型DC-DCコンバータの基本回路
図5：フリーホイール・ダイオードの損失を解消した同期整流型DC-DCコンバータの基本回路

・高電圧から低電圧まで、DC-DCの定番

欧州では電源高調波規制が厳しくなり、60W以上のスイッチング・レギュレータに、力率改善回路PFC（Power Factor Correction）を採用する事例が増えています。

PFC後段には、安定した入力電圧下で、その高効率性能と低雑音性能を発揮する絶縁型DC-DCコンバータ「LLC電源」が広く利用されています。

LLC電源のように数百Vの高電圧を入力とする降圧型DC-DCコンバータでは、フリーホイール・ダイオードに高耐圧・高速品を使います。このタイプのダイオードは、順方向電圧（VF）が2V以上と大きいため導通損が小さくありません。

現在は、還流用にダイオードではなくMOSFETを使う同期整流型が主流になっています。

大規模なロジック半導体の電源にも

超低電圧回路にとっては、+0.6～+0.8VのVFは無視できませんから、ロジック規模の大きいFPGAやハイエンド・プロセッサーが要求する+1.0～+1.8Vで数～数十A の大電流が必要な箇所にも、古くから同期整流型DC-DCコンバータが採用されています。

これらの低電圧・大電流出力電源は、FPGAやプロセッサー・チップの電源端子の直近に実装するため、POL（Point Of Load）電源と呼ばれています。

・回路構成

同期整流型DC-DCコンバータの回路は、よく見ると、シングル・エンド・プッシュプルと同じ構成で、メイン・スイッチTr1をハイ・サイド、整流用のMOSFETをロー・サイドと呼びます。

専用の制御ICを使って、フリーホイール・ダイオードに電流が流れるタイミングで、MOSFETをONします。MOSFETがONしている期間は、ソースからドレインに向かって電流が流れます。

MOSFETのオン抵抗は数mΩと小さく、ダイオードよりも劇的に導通損が少なくなります。

モバイル機器に欠かせない昇圧回路方式「昇圧型DC-DCコンバータ」

・電池動作のモバイル・システムに欠かせない

1セルのリチウム・イオン蓄電池（満充電時4.2V）で、5Vや12Vの回路を動作させるためには、昇圧型DC-DCコンバータが必須です。図6に、昇圧型DC-DCコンバータの基本回路を示します。

図6：昇圧型DC-DCコンバータの基本回路
図6：昇圧型DC-DCコンバータの基本回路

・昇圧のメカニズム

スイッチTr1、ダイオードD1、インダクタL1など、構成部品は降圧型DC-DCコンバータと同じですが、接続が違います。
Tr1がONすると、L1が励磁されます。Tr1がOFFすると、L1に蓄えられたエネルギーがダイオードを通じて出力されます。L1が出力する電流をコンデンサC1で平滑して直流電圧を得ます。

・出力電圧とPWM信号のデューティの関係式

Tr1がONの間、L1には入力電圧が加わります。L1の電流の変化∆ILは式（5）で表されます。

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{in}}}{L_1} \times t_{\text{on}}\) （5）

ここで、∆IL：Tr1ON時のL1の電流変化量［A］、VIN：入力電圧［V］、L1：インダクタのインダクタンス［H］、ton：オン時間［s］です。

Tr1がOFFの間、L1には出力電圧と入力電圧の差分VOUT–VINが加わります。式（6）のように表されます。L1の電流の変化∆ILは式（6）で表されます。

\(\Delta I_L = \displaystyle \frac{V_{\text{out}} – V_{\text{in}}}{L_1} \times t_{\text{off}}\) （6）

ここで、toff：オフ時間［s］です。
出力電流が一定の間は、ON時とOFF時の電流変化量∆ILは等しいです。
式（5）と式（6）から、昇圧型DC-DCコンバータの出力電圧とOFF時間の割合であるオフ・デューティの関係式（7）が求まります。

\(V_{\text{out}} = \displaystyle \frac{t_{\text{on}} + t_{\text{off}}}{t_{\text{off}}} \times V_{\text{in}}\) （7）

小型電源に最適な絶縁型回路方式「フライバック・コンバータ」

商用のAC電源を入力とするスイッチング・レギュレータには、入力側（1次側）を出力側（2次側）と直流的に絶縁しつつ、エネルギーを負荷に伝える絶縁型DC-DCコンバータが利用されています。絶縁型DC-DCコンバータの回路方式には2種類あり、1次側と2次側の巻き線に流れる電流のタイミングが異なります。

・フライバック・コンバータ
・フォワード・コンバータ

図7に、フライバック・コンバータの基本回路を示します。1次側が導通している期間はトランスにエネルギーが蓄積されます。1次側を遮断されると、エネルギーは2次側から出力されます。100W以下の比較的小容量の絶縁コンバータに広く用いられています。

図7：100W以下の小～中容量絶縁型
図7：100W以下の小～中容量絶縁型

DC-DCコンバータをつくるときはフライバック・コンバータを選択します。Tr1がONの期間にトランスにエネルギーを蓄え、OFFのタイミングで2次側に出力されます。フォワード・コンバータとフライバック・コンバータでは、トランスの2次側巻き線の極性が異なります。

高出力対応の絶縁型回路方式「フォワード・コンバータ」

図8に、フォワード・コンバータの基本回路を示します。トランスの1次側（入力側）に電流が流れると同時に、2次側（出力側）に電流が流れます。100Wを超える大容量の電源に採用されています。

図8：100W以上の大容量絶縁型
図8：100W以上の大容量絶縁型

DC-DCコンバータをつくるときはフォワード・コンバータを選択します。トランス1次側に電流が流れるタイミングでトランス2次側に出力されます。

直流から交流へ変換する応用回路方式「インバータ」

インバータとは、直流から極性が入れ替わる交流をつくるスイッチング・レギュレータです。図9に基本回路を示します。モーターを駆動する定番の電力増幅回路です。

図9：インバータの出力回路の基本構成
図9：インバータの出力回路の基本構成

正の信号を出力するときは、Tr1とTr4をONし、Tr2とTr3をOFFします。負の信号を出力するときは、Tr2とTr3をONし、Tr1とTr4をOFFします。出力する周波数よりも数十～数百倍の高周波数で、パワー・トランジスタをON/OFF駆動します。

図10に示すように、出力電圧の極性が入れ替わるゼロ・クロス付近でオン・デューティを小さく、出力電圧の最大値付近でオン・デューティを大きくします。このパルス信号を平滑すると、正弦波が得られます。図11に示すのは、3相ブラシレス・モーター駆動用のインバータ回路です。

図10：インバータ出力段のパワー・トランジスタの動作と正弦波出力の関係
図10：インバータ出力段のパワー・トランジスタの動作と正弦波出力の関係

図11：3相ブラシレス・モーター駆動用のインバータ回路
図11：3相ブラシレス・モーター駆動用のインバータ回路

コラム：紛らわしい電源技術分野の用語

「電源」と一口に言っても…

「電源」とは、電池や発電機など電気エネルギーを取り出せる装置です。火力発電所もACコンセントも乾電池も電源です。

「電源」という言葉からイメージするものは、「電源回路」「電源ユニット」「電源モジュール」など、人によってさまざまです。

「DC-DCコンバータ」には「直流を直流に変換するもの」という意味しかありませんが、一般に「スイッチング動作するレギュレータ」を指し、リニア動作のDC-DCコンバータは「リニア・レギュレータ」と呼びます。

電源分野の用語は、言葉どおりに使われていないことが多く、技術者のAさんは「回路」を、営業マンのBさんは「ACコンセント」をイメージするかもしれません。

電源回路

電源回路とは、電気エネルギーの源である電池や発電機が出力する不安定な電圧や電流を、電子回路や電子部品（モーターなど）を正しく動かすために要する電圧や電流に変換する電子回路です。

レギュレータ

変動する入力電圧を変動の小さい安定した電圧に変換する電源回路を「レギュレータ」又は「安定化電源回路」と呼びます。出力電圧の変動を検出して、基準電圧との差分をアンプで増幅して入力に戻す負帰還回路構成になっています。

リニア・レギュレータ

電流制御素子であるパワー・トランジスタを非飽和領域で連続動作させるレギュレータを「リニア・レギュレータ」と呼びます。

スイッチング・レギュレータ

電流制御素子であるパワー・トランジスタを飽和領域まで駆動してON/OFF動作させるレギュレータを「スイッチング・レギュレータ」と呼びます。一般に、100～240Vの商用電源を入力とし、24Vや12Vなどのバス電源を生成する回路又はユニットを指し、絶縁機能をもつものが多いです。

DC-DCコンバータ

入力の直流電圧Aを大きさの違う直流電圧Bに変換して出力するレギュレータを「DC-DCコンバータ」と呼びます。慣例的にスイッチング動作するものを指します。高い直流電圧を低い直流電圧に変換するレギュレータを「降圧型DC-DCコンバータ」、低い直流電圧を高い直流電圧を得るレギュレータを「昇圧型DC-DCコンバータ」と呼びます。DC-DCコンバータはスイッチング・レギュレータの一種です。一般にDC-DCコンバータは、バス電圧の24Vを5Vに変換したり、蓄電池の1.2Vを3.3Vに変換したりするような、オンボード用の小～中容量型のものを指すことが多いです。また単に「DC-DCコンバータ」と言ったら、非絶縁型を指すことが多いです。
ハーフ・ブリッジ回路のハイ・サイド駆動用やPFC後段のバス電源生成用のLLC電源には、トランスを使った絶縁型DC-DCコンバータが利用されています。

インバータ

直流を交流に変換する電源回路を「インバータ」と呼びます。特にモーターを駆動するインバータを「モーター・インバータ」などと呼びます。一般に「インバータ」と言ったら、スイッチング動作（D級動作）する回路を指します。

【資料ダウンロード】 スイッチングレギュレータの特性と評価方法

このハンドブックは、スイッチングレギュレータの基本を確認し、スイッチングレギュレータ用ICのデータシートを読み解くことも併せて、設計の最適化に必要なスイッチングレギュレータの特性の理解と評価の方法を解説しています。

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