ダウンコンバージョン効率を最大化するために同期整流式降圧DC/DCコンバータを使用する理由と方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2021-02-02
マルツ掲載日：2021-06-08
自動車や産業用オートメーション、通信、コンピューティング、白物家電、民生用電子機器など、さまざまなシステムにおいて、ICやその他の負荷に電力を供給するために、高バス電圧を低電圧に降圧する必要性が高まっています。設計者にとっての課題は、このダウンコンバージョンを最大の効率、最小の熱負荷、低コスト、最小のソリューションサイズで実行することです。
従来の非同期整流式降圧コンバータでも低コストのソリューションを実現できる可能性がありますが、変換効率が低く、多くの電子システムのニーズを満たしていません。設計者は、高効率を実現する小型のソリューションを開発するために、同期整流式DC/DCコンバータと同期整流式DC/DCコントローラを利用することができます。
この記事では、高効率にDC/DC変換するための電子システムに要求される性能を簡単に説明し、非同期整流式DC/DCコンバータと同期整流式DC/DCコンバータの違いを確認します。また、Diodes, Inc、STMicroelectronics、ON Semiconductorの同期整流式DC/DCコンバータの設計オプションを、高効率ソリューションの開発を迅速に開始するための評価ボードと設計ガイダンスと共に紹介しています。
同期整流式DC/DCコンバータが必要な理由
あらゆる種類の電子システムで高効率化の要求が高まり、システムの複雑化が相まって、それに対応する電力システムのアーキテクチャとパワー変換トポロジが進化しています。高機能化に対応するために独立した電圧領域が増加し、分散型電源アーキテクチャ(DPA)がより多くの電子システムで使用されるようになってきています。
DPAでは、さまざまな負荷を駆動するために複数の絶縁電源を持つのではなく、比較的高い配電電圧を発生させる1つの絶縁AC/DC電源と、負荷ごとに必要に応じて配電電圧を低電圧に変換する複数の小型降圧コンバータを備えています(図1)。複数の降圧コンバータを使用することで、小型化、高効率化、高性能化の利点が得られます。
図1：メインの絶縁型AC/DC電源(フロントエンド)と複数の非絶縁型DC/DCコンバータが低電圧負荷に電力を供給する分散型電源アーキテクチャを示しています。(画像提供：Digi-Key Electronics)
非同期整流式降圧コンバータと同期整流式降圧コンバータを選択するプロセスは、コストと効率のトレードオフに基づいています。最低のソリューションコストが要求され、より低い効率とより高い熱負荷を受け入れることができる場合は、非同期整流式降圧ソリューションが好ましい場合があります。一方、効率が優先され、より低温での動作が望ましい場合は、一般的に高コストの同期整流式降圧コンバータが優れた選択となります。
同期対非同期整流式降圧レギュレータ
非同期整流式降圧コンバータの代表的な応用例を図2に示します。ON SemiconductorのLM2595は、メインパワースイッチと制御回路を含むモノリシック集積回路です。内部で補償されるため、外付け部品の数を最小限に抑え、電源設計を簡素化することができます。
標準の変換効率は81%で、電力の19%を熱として消費しますが、同期整流式降圧ソリューションでは、標準の変換効率は約90%で、電力の10%しか熱として消費しません。つまり、非同期整流式降圧コンバータの熱損失は、同期整流式降圧型コンバータの熱損失の2倍近くになります。そのため、同期整流式降圧コンバータを使用することで、発熱量を減らして熱管理の課題を大幅に軽減することができます。
図2：出力整流器(D1)、出力フィルタ(L1、Cout)、フィードバックネットワーク(Cff、R1、R2)を示す非同期降圧コンバータの代表的な応用例。(画像提供：ON Semiconductor)
STMicroelectronicsのST1PS01のような同期整流式降圧コンバータでは、出力整流器は同期MOSFET整流に置き換えられます(図3)。非同期整流式降圧コンバータの出力整流器と比較して、同期型MOSFETの「オン」抵抗が低いため、損失が減少し、変換効率が大幅に向上します。同期整流式MOSFETはIC内部に内蔵されているため、外付けの整流ダイオードが不要です。
図3：外部出力整流ダイオードの除去を示す同期降圧の応用回路。引き続き出力フィルタリングとフィードバックコンポーネントは必要です。(画像提供：STMicroelectronics)
同期整流式降圧コンバータで高効率化、低熱負荷化を実現するにはコストがかかります。単一のパワースイッチングMOSFETと整流用ダイオードを使用した非同期整流式降圧コンバータコントローラは、クロスコンダクションや「シュートスルー」の可能性に対処する必要がなく、制御する同期FETがないため、はるかにシンプル(かつ小型)です。
同期整流式降圧トポロジでは、両方のスイッチを制御するために、より複雑なドライバと交差伝導防止回路が必要になります(図4)。両方のMOSFETが同時にオンになり、直接短絡が起こらないようにするには、より複雑な動作が必要となり、結果としてICが大型化かつ高価なものになってしまいます。
図4：同期整流式降圧コンバータICのブロック図は、2つの集積化されたMOSFET(「SW」とマークされたピンの隣)と、追加されたドライバ/交差伝導防止回路を示しています。(画像提供：STMicroelectronics)
パルス幅変調(PWM)制御の同期整流式降圧コンバータは、中負荷または全負荷条件ではより効率的ですが、非同期整流式降圧コンバータは、多くの場合軽負荷条件でより高い変換効率を提供します。しかし、最新の同期整流式降圧コンバータの実装には複数の動作モードがあって、設計者が低負荷効率を最適化できるようになっているため、そのようなケースは少なくなってきています。
5Vと12V配電用の同期整流式降圧
Diodes, Inc.は、消費者用製品や白物家電で5Vと12Vの配電を使用する設計者向けに、4.5～18Vの広い入力範囲を持つ6Aの同期整流式降圧コンバータAP62600を提供しています。このデバイスは、36mΩのハイサイドパワーMOSFETと14mΩのローサイドパワーMOSFETを統合し、高効率の降圧DC/DC変換を提供します。
AP62600は、一定のオンタイム(COT)制御の利点により、最小限の外部コンポーネントしか必要としません。また、高速過渡応答、簡単なループ安定化、低出力電圧リップルを提供します。AP62600の設計は、電磁妨害(EMI)の低減に最適化されています。
このデバイスは、MOSFETのターンオン時間とターンオフ時間を犠牲にすることなくスイッチングノードのリンギングに抵抗する専用のゲートドライバスキームを備えており、MOSFETスイッチングに起因する高周波放射EMIノイズを低減します。このデバイスは、V-QFN2030-12(タイプA)パッケージで提供されます。
発生する可能性のある障害状況をユーザーに警告するパワーグッドインジケータがあります。プログラム可能なソフトスタートアップモードは、電源投入時の突入電流を制御し、複数のAP62600を使用してフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向けIC(ASIC)、デジタル信号プロセッサ(DSP)、マイクロプロセッサユニット(MPU)などの大型集積デバイスに電源を供給する際に、電源シーケンスを実装することができます。
AP62600では、個々のアプリケーションの特定のニーズを満たすために、3つの動作モードを選択することができます(図5)。パルス周波数変調(PFM)動作により、全負荷で高効率を実現します。他にも、最高のリップル性能を得るためのパルス幅変調(PWM)や、軽負荷時の可聴ノイズを回避する超音波モード(USM)などのモードがあります。
図5：AP62600では、個々のアプリケーションの特定のニーズを満たすために、3つの動作モードを選択することができます(PFM、USM、PWM)。(画像提供：Diodes, Inc.)
設計者がAP62600の使用を開始するのを支援するため、Diodes, Inc.はAP62600SJ-EVM評価ボードを提供しています(図6)。AP62600SJ-EVMはシンプルなレイアウトで、テストポイントを介して適切な信号にアクセスすることができます。
図6：AP62600SJ-EVM評価ボードは、シンプルで便利なAP62600の評価環境を提供します。(画像提供：Digi-Key Electronics)
24Vバス用同期整流式降圧
STMicroelectronicsのL6983CQTRは、3.5～38Vの入力範囲を特長とし、最大3Aの出力電流を提供します。設計者は、L6983を24Vの産業用電源システム、24Vのバッテリ駆動機器、分散型インテリジェントノード、センサ、常時オンや低ノイズのアプリケーションなど、幅広いアプリケーションで使用することができます。
L6983は内部補償付きのピーク電流モードアーキテクチャに基づき、3mm×3mmのQFN16にパッケージ化されており、設計の複雑さとサイズを最小限に抑えています。L6983は、低消費モード(LCM)バージョンと低ノイズモード(LNM)バージョンの両方で利用できます。
LCMは、出力電圧リップルを制御して軽負荷時の効率を最大化するため、バッテリ駆動のアプリケーションに適しています。LNMはスイッチング周波数を一定にし、軽負荷動作時の出力電圧リップルを最小化することで、ノイズに敏感なアプリケーションの仕様を満たしています。L6983では、スイッチング周波数を200kHzから2.3MHzの範囲で選択することができ、EMCを改善するためにオプションのスペクトラム拡散を使用することができます。
STMicroelectronicsは、STEVAL-ISA209V1評価ボードを提供します。この評価ボードにより、設計者はL6983同期整流式モノリシック降圧レギュレータの能力を確認し、設計を迅速に開始できます。
コンピューティングと電気通信の設計のための同期整流式降圧コントローラ
ON SemiconductorのNCP1034DR2Gは、最大入力電圧100Vの高性能同期整流式降圧DC/DCアプリケーション用に設計された高電圧PWMコントローラです。このデバイスは、組み込み型のテレコミュニケーション、ネットワーキング、コンピューティングアプリケーションでの48V非絶縁パワー変換で使用するために設計されています。図7に示すように、NCP1034は一対の外付けNチャンネルMOSFETを駆動します。
図7：NCP1036同期整流式降圧コントローラICの代表的な応用回路で、ハイサイドとローサイドのMOSFET(それぞれQ1とQ2)を示しています。(画像提供：ON Semiconductor)
NCP1036は、25kHz～500kHzのプログラム可能なスイッチング周波数と、スイッチング周波数を外部制御できる同期ピンを搭載しています。これらの周波数制御の両方を提供することで、設計者は特定のアプリケーションごとに最適な値を選択し、複数のNCP1034コントローラの動作を同期させることができます。
このデバイスには、ユーザーがプログラム可能な不足電圧ロックアウトとヒックカップ電流制限保護も含まれています。低電圧設計では、内部でトリムされた1.25Vの基準電圧を使用することで、より正確な出力電圧安定化を実現できます。
デバイスとシステムの両方を保護するために、4つの不足電圧ロックアウト回路が含まれています。3つは特定の機能に特化したもので、そのうちの2つは外部のハイサイドドライバとローサイドドライバを保護し、1つはVCCが設定された閾値以下になる前にICが早期に起動しないように保護するものです。
第4の不足電圧ロックアウト回路は、外部抵抗分割器を使用して設計者がプログラムすることができます。VCCがユーザーの設定した閾値を下回っている限り、コントローラはオフのままになります。
設計者のNCP1034の使用開始を支援するため、ON SemiconductorはNCP1034BCK5VGEVB評価ボードを提供しています(図8)。この評価ボードは、様々なシステムニーズに対応するために、いくつかのオプションを用意して設計されています。ICの電源にはリニアレギュレータがあり、設計者は適切な抵抗を選択することで、ツェナーダイオードを使用するか、高電圧トランジスタを使用するかを選択することができます。
また、設計者は第2のタイプ(電圧モード)補償や第3のタイプ(電流モード)補償、選択可能なセラミックまたは電解出力コンデンサ、および様々な入力静電容量値を選択することができます。
2つのヘッダピンがあります。1つは外部同期パルスソースに簡単に接続して、ボードを他のNCP1034デモボードに直接接続できるようにするためのもので、もう1つはグランドに接続してコントローラをシャットダウンするために使用できるSS/SDピンに接続するためのものです。
図8：NCP1034BCK5VGEVB評価ボードには複数のオプションが用意されており、設計者が新しい設計を迅速に開始できるようになっています。(画像提供：Digi-Key Electronics)
まとめ
自動車、産業用オートメーション、通信、コンピューティング、白物家電、民生用電子機器など、さまざまなシステムにおいて、ICやその他の負荷に電力を供給するために、高バス電圧を低電圧に降圧する必要性が高まっています。
この記事でも示したとおり、設計者は同期整流式高圧電圧コンバータを利用することで、このようなダウンコンバージョンを最大効率、最小の熱負荷、低コスト、最小のソリューションサイズで実現できます。
お勧めの記事
(1) 非同期整流式降圧コンバータは、より軽い負荷でより高い効率を提供
(2) 単一の同期整流式降圧コンバータから簡単に複数の出力を生成
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