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リップルを小さくするスイッチング・レギュレータの最新ソリューションを紹介します。

スイッチング・レギュレータのリップル電圧の式

デジタル回路が高速信号を扱う場合、ジッタの要求仕様も厳しくなります。その為、ジッタ特性に影響するリップル電圧を小さくする必要が有ります。今回は、そのジッタ特性に影響を与える、スイッチング・レギュレータのリップルを小さく抑える為にどの様にすべきかを考えてみます。 

V Ripple = ΔI L × ESR + 1 8×fSW×COUT

VRipple リップル電圧

ΔIL:インダクタのリップル電流

ESR:出力コンデンサのESR

fSW:スイッチング周波数

COUT:出力コンデンサの容量

スイッチング・レギュレータのリップル電圧は、式1 の様に表すことができます。 

この式から、インダクタのリップル電流(ΔIL)が大きくなると、リップルが大きくなることがわかります。 
インダクタのリップル電流は、負荷が必要とする電流の40%で定義されます。 
従って、FPGAなどのデジタル回路が要求する電流値が増えると、リップルは大きくなります。 

従って、低電圧・大電流化が加速している現状、インダクタのリップル電流を小さくすることは出来ない為、式1 の他の項目でリップル電圧を小さくする必要があります。

スイッチング・レギュレータのリップル電圧を小さくするには

式1のインダクタのリップル電流以外の項目は、次の3つになります。

  1. 出力コンデンサの等価直列抵抗 (ESR)
  2. 出力コンデンサの容量 (Cout)
  3. スイッチング周波数 (fsw)

 

これら、3 つの項目を調整することで、リップル電圧を小さくすることが出来ます。

1 と2 の出力コンデンサに関わる内容については、超初心者向けアナログ回路 第3回 インダクタ、コンデンサもリップルに影響するに詳しく書かれています。ただ、セラミック・コンデンサを多く搭載するとボード面積が大きくなりますし、コスト増となるので最小限にしたいです。

3 のスイッチング周波数に関わる内容については、超初心者向けアナログ回路 第2回 スイッチング周波数の違いで何が変わる?に詳しく書かれています。スイッチング周波数を上げると、効率が悪くなる点がマイナス・ポイントです。

リップルとインダクター電流
図1:リップルとインダクター電流

図1 は、同期整流型DC/DCコンバータ LTC3616のリップル電圧とインダクター電流の波形です。リップルは数mVと非常に小さくなっています。

スイッチング周波数と効率

スイッチング周波数 ー 効率特性
図2:スイッチング周波数 ー 効率特性

スイッチング周波数を上げると、スイッチング損失が大きくなり効率が低下します。

数年前までは、2MHzが最も高いスイッチング周波数でした。最新のデバイスでは4~5MHz品が出てきています。

図2は、同期整流型DC/DCコンバータ LTC3616のスイッチング周波数ー効率特性のカーブとなっています。

スイッチング周波数が1~2MHzの時に効率のピークをもち、4MHzまでなだらかに効率が低下します。

しかしながら、4MHz時でも約90%を達成していますので、効率は問題ありません。

スイッチング周波数が、4MHzまで調整可能なモノリシック同期整流式降圧レギュレータのリストは次の通りです。

こちらの製品を使用頂く事で、リップルを小さくしてデジタル回路のジッター成分を抑えながら、回路設計頂く事が可能になります。

Part # 製品特徴 入力電圧レンジ
LTC3565 1.25A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 2.5~5.5V
LTC3600 1本の抵抗で設定可能な、1.5A同期整流式降圧レギュレータ 4~15V
LTC3601 1.5A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 4~15V
LTC3604 2.5A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 3.6~15V
LTC3412A 3A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 2.25~5.5V
LTC3623 ±5A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 4~15V
LTC3605A 5A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 4~20V
LTC3617 DDR終端向け±6Aモノリシック同期整流式降圧レギュレータ 2.25~5.5V
LTC3616 6A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 2.25~5.5V
LTC3418 8A、モノリシック同期整流式降圧レギュレータ 2.25~5.5V

注意点! 良い製品を使用してもリップルが大きい!

スイッチング周波数が4MHzの製品を使用することで、図1のリップル電圧の様に小さく綺麗な電圧を得ることが可能です。しかし、スイッチング・レギュレータの設計方法の後半に書いてありますが、基板のパターン設計(アートワーク)を間違ってしまうと所望のリップル波形は得られません。

一旦、基板のパターン設計起因でリップルに大きなスイッチング・ノイズがのってしまった場合、コンデンサの追加などでは取りきれない場合が多いので注意が必要です。必ず、メーカー推奨パターンを参考に設計を進めてください。

スイッチング電源のパターン設計の基礎を学びたい方は、LTspice & 電源設計セミナー 導入編 <無料>を受講頂く事をお勧めしています。

レイアウトの影響を最小限に抑えるには

基板上の配線引き回しによる、配線パターンのインダクタンス成分やICのリードやボンディングワイヤーによるインダクタンス成分によるノイズがリップル電圧に影響を与えます。

このインダクタンス成分を最小にするソリューションが、アナログ・デバイセズ社のμModuleです。

スイッチング周波数4MHz対応した、製品のラインナップは次の通りです。レイアウト設計に時間を掛けたくない方や、リップルを出来るだけ抑えてシステムを組みたい方にお勧めです。

Part # 製品特徴 入力電圧レンジ
LTM4622A デュアル2Aまたはシングル4A 降圧DC/DC μModuleレギュレータ 3.6~20V
LTM4622 デュアル2.5Aまたはシングル5A降圧DC/DC µModuleレギュレータ 3.1~20V
LTM4623 3A降圧DC/DC μModuleレギュレータ 4~20V
LTM4625 5A降圧DC/DC μModuleレギュレータ 4~20V

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