インダクターと出力コンデンサーの定数設定

ここでは、理想的な回路をLTspiceを用いて作成して動作を確認していきます。

図1のような、回路を用いて入力電圧6(V)、出力電圧12(V)、負荷電流10(A)の昇圧コンバーターを構成します。

この理想的な回路を用いてスイッチング周波数を2MHzと400KHzとしたときに、使用するインダクターと出力コンデンサーの定数を算出して、どれくらい値が変わるか比較します。その後、算出した定数で回路を動かしたときに同じ特性が得られるか確認します。

インダクターの選定

インダクターの値を計算します。インダクターの計算にはDuty比が必要になるので式１のように計算します。

  Vo　：　出力電圧

VIN　：　入力電圧

 VD　：　ダイオードの順方向電圧

スイッチング周波数2MHzのインダクター(L1)と400KHzのインダクター（L2)を計算します。

ΔILは、負荷電流の40%として計算します。

 

2MHzの場合、インダクタンス値が約1/5になっているので、インダクターの巻き数が少なくなります。

その結果、インダクターの外形が小さい部品を選定できることがわかります。

これがスイッチング周波数を高くするメリットになります。

出力コンデンサーの選定

出力コンデンサーの値を計算します。出力コンデンサーは、許容できる出力リップルの値で決定します。計算には、次の式を使うことができます。

式３のESRは、出力コンデンサーのESRを表しています。

今回は、理想状態の昇圧コンバーターの回路シミュレーションをおこないますので、簡易的にESRはゼロとして式を展開すると、式４のようになり出力コンデンサーの容量を求める式となります。

 

スイッチング周波数2MHzの出力コンデンサー(Cout1)と400KHzの出力コンデンサー(Cout2)を計算しました。

結果、Cout1=18μF、Cout2＝92μFとなりスイッチング周波数が高い方がコンデンサー容量が小さくて良い結果となります。

それでは、これらの計算して算出したインダクターと出力コンデンサーで所望の出力電圧が得られるかシミュレーションで確認してみます。

LTspiceによる動作確認

LTspiceを使って、図１の理想的な昇圧コンバーター回路に算出したインダクターと出力コンデンサーを使用して検証します。

スイッチング周波数2MHzと400KHzで12Vの出力が得られリップル電圧も同等であるか確認します。

LTspiceをインストールされている方は、下記LTspice回路ファイルをダウンロードしてご確認ください。

図３が出力電圧のシミュレーション結果です。

赤色（Vout1)がスイッチング周波数2MHzの結果で、出力電圧12Vでリップルが約149mV
青色（Vout2)がスイッチング周波数400KHzの結果で、出力電圧11.95Vでリップルが約145mV

この結果から、選定したインダクターと出力コンデンサーについて問題ないと言え、高いスイッチング周波数のレギュレーターの場合、周辺で使用するインダクターやコンデンサーなどは小さい部品を選定できることがわかりました。

ただし、注意すべき点があります。

図４の各種電流波形を確認します。青色のインダクター電流はスルーレートが低く入力コンデンサーによるフィルタリングが容易であることがわかります。しかし、赤色のスイッチに流れる電流や緑色の出力コンデンサーに流れる電流はスルーレートが早いPWMの電流波形であることがわかります。

この様にスルーレートが早い電流が流れる部分のPCBレイアウトは、十分注意して設計する必要があります。

今回はシミュレーションのため、2MHzも400KHzも同様のスルーレートのシミュレーションモデルとしています。しかし、実際のデバイスでは400KHzよりも2MHzの方がスルーレートが早くなることが推測できると思います。

まとめ

スイッチング周波数が高くなると、レギュレーターで使用するインタクターやコンデンサーの大きさを小さくすることが可能なことを理解いただけたと思います。

ただし、スイッチング周波数が高くなるとスイッチング損失の増加、高いスイッチノードのスルーレート、高い電流スルーレートなどの困難な課題が発生します。また、適切な MOSFETを見つけることも困難です。MOSFETは、伝導損失を最小限に抑えるのに十分な低オン抵抗であり、高速スイッチングを可能にするのに早い必要があります。PCBのコンポーネントの配置と配線は、PCBの寄生インダクタンスを考慮する必要があり、敏感なノードはノイズが伝搬しないようにする必要があります。

次回の記事では、実際のレギュレーターのシミュレーションモデルを用いてPCBレイアウトの寄生インダクタンスがスルーレートが早い電流波形に与える影響を確認してPCBレイアウト設計の注意点を確認したいと思います。

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