第三回同期整流コンバーター回路でのインダクタ―の選定方法（後編） - 半導体事業

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基礎アナログディスクリート電源電子部品ボード

本連載は、コンバーターICの評価ボードのリファレンス回路を題材に、各種ディスクリート部品の選定における重要な特性について解説します。
解説をする際に、個々の特性についてLTspice を用い、部品の定数または、部品自体を変えて、回路上での変化をシミュレーション波形や算出した値で確認を行い、特性と回路の関係を解説します。

今回は、同期整流タイプの降圧コンバーター回路に必要なインダクタ―の選定方法について、インダクタ―の特性が与える影響などを、LTspiceのシミュレーションを用いて確認しながら、2回に分けて解説していきます。
前編では、「電源回路でのインダクタ―の役割」と「インダクタンス値：L」について解説しました。後編の今回は「定格電流：Isat、Itemp」、「直流抵抗：Rdc」、「自己共振周波数：SRF」および「インダクタ―の種類」について解説します。

また、解説の際に用いるLTspice や評価キットなどは以下をご参照ください。

【LTspice のダウンロード / 使い方について】

・LTspice ダウンロードページ（Analog Devices 社ホームページにリンクします）

＊LTspice の使い方について知りたいという方は以下の当社記事をご確認ください。

・LTspice を使ってみよう！

【使用している評価ボード/搭載されているレギュレーター/ボード購入情報】
LT8609A 同期整流降圧レギュレータ―　評価ボード： DC2958A （Analog Devices 社ホームページにリンクします）
評価ボードDC2958Aは Macnica-Mouser.jp にて販売しております。（Macnica-Mouser.jp にリンクします）

（注意）
　本記事は、上記のコンバーターIC LT8609Aの周辺部品(インダクター)の選定方法について記載するものではありません。あくまでインダクターの特性をLTspice上で確認するためのサンプル回路例として使用しています。

１．定格電流：Isat、Itemp

インダクタ―の定格電流は大きく分けて2種類あります。１つは「インダクタンス値L（以降L値）の低下によって決まる定格電流」と、もう一つは「温度上昇によって決まる定格電流」です。
一般的に、前者を「直流重畳定格電流（以降Isat）」、後者を「温度上昇定格電流（以降Itemp）」と呼びます。

（１）Isat

インダクタ―に流す電流が増加すると、磁気飽和によってL値が低下します。ある一定のL値の低下が起きる電流値を定格電流と規定します。これがIsatです。Isatは、L値が20%～30%に低下する電流値を指します。（具体的な数値はメーカー、インダクタ―の種類によって異なりますので、各インダクタ―のデータシートなどを確認してください。）

Isatは最大電流（インダクタ―のピーク電流：以降ILpeak ）以上である必要があります。
最大電流ILpeak は負荷電流（以降Iout）にリップル電流（ΔIL）の1/2を加えた値になります。ILpeak は次の式から算出できます。

リップル電流（ΔIL）は次の式で表されます。

定格電流にマージンがない場合に、負荷の電流が増加すると、次のような連鎖が発生します。

電流増加　→　磁気飽和　→　L値減少　→　ピーク電流が更に増加

この場合、電源ICの過電流保護機能（※）が動作して、出力電圧Voutが低下するなどの問題が発生します。

（注意）

高温になると少ない電流値で飽和がはじまります。
Isatを超えて使用した場合でも、インダクタ―は破損しませんが、L値の低下によってリップル電流（ΔIL）が増加します。その結果、電源ICの動作が不安定になったり、インダクタ―以外の素子の定格電流を超えたりする可能性があります。

（※）過電流保護機能とは、出力短絡などの何らかのアクシデントで、出力電流が異常に大きくなってしまった場合に、電源ICの出力を停止する機能です。過電流を検出する方法や出力の停止方法は、製品によって異なりますが、今回の電源ICの過電流保護機能は周波数フォールドバック型と言われるもので、発振周波数を下げ、ONデューティーを小さくすることによって出力電流を制限する方式です。

（２）Itemp

インダクタ―に電流が流れると、巻線等の抵抗によって発熱します。その自己温度上昇に基づく定格電流値をItempとして規定しています。
この規定値を超えて使用した場合に、部品の故障や破損に至るケースもあります。

Itempは温度上昇が⊿40℃となる電流値で規定されています。（具体的な数値はメーカー、インダクタ―の種類によって異なりますので、各インダクタ―のデータシートなどを確認してください。）

Itempの値としてはIout以上であることを目安に選定します。

（３）シミュレーション

シミュレーションでは、負荷電流2.5Aに対して、インダクタ―L1を定格電流が大きい3.7A品(HFL4020-222)と、小さい1.05A品(EPL2010-222)を用いて比較してみます。シミュレーションを行う回路は図1です。
ここでは、通常のインダクタ―モデル（静的モデル）ではなく、飽和状態をシミュレーションで確認できる飽和モデル（Saturation model）を用いて、定格電流を超えた際のインダクタ―電流の状態を確認します。飽和モデルは下記のCoileCraft社のWebサイトから入手できます。
https://www.coilcraft.com/ja-jp/models/howto/model-libraries-for-ltspice/

(a)定格電流のマージンが十分あるインダクタ―のシミュレーション結果

負荷電流2.5Aの状態でも、インダクタ―は飽和せず、インダクタ―電流及び、出力電圧は安定しています。

(b)定格電流のマージンが不足するインダクタ―のシミュレーション結果

負荷電流2.5Aの状態にした際に、磁気飽和が発生してインダクタンス値の低下に伴い、更なる電流増加が発生しています。そして、電源ICの過電流保護機能が作動して、出力電圧が低下しているのが確認できます。

《ポイント》

インダクタ―の定格電流には「直流重畳定格電流（Isat））と「温度上昇定格電流（Itemp）」がある。
IsatはL値が20%～30%低下する電流値。
Isatは最大電流（インダクタ―ピーク電流）以上であるものを選定する。
高温になると少ない電流値で飽和が始まる。
Itempは温度上昇が⊿40℃となる電流値。
Itempの値は、負荷電流Iout以上であることを目安に選定する。
定格電流にマージンがない場合に、負荷の電流が増加すると、電源ICの過電流保護機能が作動して、出力電圧が低下するなどの問題が発生する。

２．直流抵抗：Rdc

インダクタ―は、インダクタンス以外の成分はまったく持たず、エネルギー損失がないのが理想です。しかしながら、実際のインダクタ―は、インダクタンス以外に抵抗成分（直流抵抗Rdc）を持っています。
直流抵抗Rdc（以降Rdc）は、小さいほうが発熱による電力損失を少なくできます。
Rdcが大きいと電力損失が大きくなり効率を落とします。また、発熱により周辺部品へ悪影響を及ぼす場合もあります。一方で、Rdcの低減化は、直流重畳特性やサイズの小型化などと、トレードオフの関係にあります。そこで、L値や定格電流（Isat、Itemp）などの必要特性を満足するインダクタ―の中から、なるべくRdcの小さいものを選定します。

シミュレーションで、インダクタ―のRdcを変更して、効率の状態をEfficiency Reportにて確認します。シミュレーションを行う回路は図2です。インダクタ―L1のSeries Resistance[Ω]をデフォルトの20mΩと100mΩの場合の効率を比較します。

シミュレーション結果は次のようになります。

Efficiency ReportのL1の電力値に着目すると、Rdc が20mΩの場合は、81mWで、Rdcが100mΩの場合は、407mWです。明らかにRdcが100mΩの場合の方が大きくなっています。これはRdcが100mΩの場合の方が、電力損失が大きい事を意味します。

《ポイント》

Rdcは小さいほうが発熱による電力損失を少なくできる。
Rdcの低減化と、直流重畳特性やサイズの小型化などは、トレードオフの関係にある。
L値や定格電流などの必要特性を満足するインダクタ―の中から、よりRdcの小さいものを選定する。

３. 自己共振周波数：SRF

理想インダクタ―は周波数に比例してインピーダンスが高くなりますが、実際のインダクタ―は、静電容量（浮遊容量）を持っているため、自己共振現象が発生し、共振周波数よりも高い周波数では、インピーダンスは減少します。

インダクタ―の等価モデルは、一般的に下図のような3つが使われます。インダクタ―と静電容量が並列に接続され、それに直列抵抗が接続されたものと、静電容量がインダクタ―と直列抵抗の両方に対して並列に接続されたものと、さらに並列抵抗が接続されたものです。どれもほぼ同等の特性を示します。

並列に接続された静電容量とインダクタ―により、ある周波数で自己共振現象が発生します。そのため周波数特性のイメージは下図のようになります。

自己共振周波数までは誘導特性（周波数が上がるとインピーダンスは増加）を示し、自己共振周波数を超えると容量特性（周波数が上がるとインピーダンスは減少）を示し、それよりも高い周波数では、インピーダンスが低下して本来のインダクタ―として機能しなくなります。
そこで、高周波回路や高周波モジュールなどにインダクタ―を選ぶときは、単に必要なインダクタンス値だけでなく、使用周波数に対して自己共振周波数を考慮する必要があります。

自己共振周波数より高い周波数ではインダクタ―として機能しないので、電源ICのスイッチング　周波数より、高い自己共振周波数のインダクタ―を選定します。

自己共振周波数は、次の式で求まりますので、L値が小さくなると高くなります。

《ポイント》

実際のインダクタ―は、浮遊容量により自己共振現象が発生する。
自己共振周波数までは誘導特性を示し、超えると容量特性を示す。
自己共振周波数より高い周波数ではインダクタ―として機能しないので、電源ICのスイッチング周波数より、高い自己共振周波数のインダクタ―を選定する。
L値が小さくなると自己共振周波数は高くなる。

４.インダクタ―の種類

電源系インダクタ―は、その特性から磁性体の材料で分類する場合と、発生する磁束の状態で分類する場合に分かれます。

（１）磁性体の材料で分類する

インダクタ―の磁性体（コア）材料には、フェライトと、メタルコンポジットの2種類あります。今までは、フェライトがポピュラーでしたが、近年、金属磁性体を使用したメタルコンポジットタイプが注目されています。
メタルコンポジットタイプは、フェライトタイプに比べ、磁気飽和特性、熱安定性が優れています。逆にフェライトタイプは、直流抵抗に優れています。まとめると次の表のようになります。

（２）磁束の状態で分類する

電源系インダクタ―には、開磁路タイプと、閉磁路（シールド）タイプの2種類あります。
磁性体のトロイダルコア(ドーナツ状コア)に巻線して電流を流すと、磁束はコア内部を還流します。このような磁気回路を閉磁路といいます。棒状やドラム状のコアを用いた場合は、磁束はコア内部から外部に出て、漏れ磁束となり、再びコアに戻るループを形成します。これを開磁路といいます。

漏れ磁束が他のコイルや配線パターンなどと磁気結合すると、ノイズの原因になります。そのため、開磁路タイプの方が、放射ノイズは大きくなります。だたし、閉磁路タイプでも、ギャップを設けているもので磁気漏れを起こす製品もあるので、注意が必要です。

磁気構造の違いにより、閉磁路と開磁路では飽和特性に違いがあります。そのため、直流重畳特性に違いが出てきます。閉磁路の方は、直流重畳電流の増加とともにL値が緩やかに減少していきます。一方、開磁路の場合は、直流重畳電流の増加に対して所定の電流値までは比較的フラットなL値を示しますが、所定の電流値を境にL値が急激に減少する傾向にあります。ただし、使用している磁性材料の特性によって、カーブの傾向は変わります。