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ホーム > 記事サポート > 2010年 > 6月号 別冊補足「DC-DCコンバータの入出力電圧/電流と定数の関係」 > 入力電圧が変わると設計がどう変わるか

入力電圧が変わると設計がどう変わるか

まず,Vout =5V,Iout =3Aという条件はそのままで,Vin の要求仕様を7~10V,9~14V,12~24V,22~40Vの4段階に変化させて,WEBENCHで設計してみます.自動生成された回路図を図1に,それぞれの条件下での使用部品を表1に示します.また,コストやサイズ,各種特性の変化を表2図2に示します.

いずれの設計結果も,コスト重視(最適化ダイヤルを3に設定)の場合のものです.また,入力電圧は最小値Vin minから最大値Vin maxまで幅がありますが,効率や損失などの特性は最大値Vin maxにおけるものです.


図1 入力電圧を変えたときの推奨回路
(図をクリックすると別ウィンドウで原寸表示します)


図2 入力電圧を変えたときの実装面積/コスト/効率/損失の変化
(図をクリックすると別ウィンドウで原寸表示します)

表1 入力電圧を変えたときの各コンデンサとインダクタ
項目 入力電圧 単位
7~10V 9~14V 12~24V 22~40V
入力コンデンサ Cin 20 10 4.7 2 μF
ESR 0.0025 0.003 0.003 0.003 Ω
サイズ 37.4 23.4 38.6 37.4 mm2
コスト 0.1 0.2 0.41 0.26 $
備考 積セラ×2 積セラ 積セラ 積セラ×2
出力コンデンサ Cout 56 56 56 44 μF
ESR 0.04 0.04 0.04 0.001 Ω
サイズ 53.3 53.3 53.3 46.8 mm2
コスト 0.36 0.36 0.36 0.34 $
備考 固体アルミ 固体アルミ 固体アルミ 積セラ×2
インダクタ L1 15 15 15 22 μH
ESR 0.027 0.027 0.027 0.026 Ω
サイズ 210 210 210 243 mm2
コスト 0.43 0.43 0.43 0.92 $
備考 ドラム ドラム ドラム シールド

表2 入力電圧を変えたときの各特性の変化
項目 入力電圧 単位
7~10V 9~14V 12~24V 22~40V
WEBENCHの設計データ
実装サイズ 417 406 467 492 mm2
部品コスト 2.92 3.07 3.38 3.72 $
効率 η 88 87 85 80
トータル損失 Pd 2.03 2.18 2.66 3.73 W
IC損失 Pd IC 1.07 0.98 1.11 1.55 W
ダイオード損失 Pd D1 0.68 0.92 1.27 1.93 W
出力電力 Pout 15 15 15 15 W
ΔI =0.3Iout としたときのインダクタンス見積もり
デューティ比 DC 53.9 38.7 22.9 14.2
最小インダクタンス Lmin 5.6 7.5 9.5 11.0 μH
特性の見積もり
出力リプル電流 ΔI 0.34 0.45 0.57 0.45 Ap-p
出力リプル電圧 Vripple 14 18 23 0.4 mVp-p
LC フィルタ共振周波数 f0 5.49 5.49 5.49 5.12 kHz


入力電圧が高くなると部品がどう変わるか

入力電圧Vin の変化によって,入力コンデンサCin ,出力コンデンサCout ,インダクタL1が変わります.表1では省略していますが,必要に応じてダイオードD1も高耐圧で電流容量の大きいものに変わっています.これは,Vin が高くなるとON時の逆電圧が高くなり,またOFF時間が長くなるため平均ダイオード電流が増えるからです.

● インダクタンスは大きくなる
Vin が高くなると,インダクタ電圧が高くなりdI /dt も大きくなります.したがって,L1を大きくする必要があります.例えば,リプル電流をΔI =0.3Iout に抑えるための最小インダクタンスは,表2に示すようにVin が7~10Vのとき5.6μH,22~40Vのとき11μHです.

実際に選択された部品は,表1を見るとVin が22~40VのときはL1=22μHとやや大きく,Vin が7~10V,9~14V,12~24VのときはL1=15μHです.いずれも,余裕をもった値になっています.

● インダクタが変わることで出力コンデンサの容量も変わる
Cout の容量は,L1Cout によるLC フィルタの共振周波数f0fSW の1/100程度になるように選ばれています.Cout は低ESR であることが重要なので,導電性高分子タイプの固体アルミ電解コンデンサや,積層セラミック・コンデンサを使っています.

● 入力コンデンサの容量は小さくなるが耐圧を高める必要がある
Cin は,スイッチがONの時に過渡電流を供給するものです.Vin が高くなるとスイッチのON時間が短くなるので,Cin の容量を小さくできます.ただし,Vin に合わせてCin の耐圧を高くしなければなりません.

表1を見ると,Vin が高くなるほど容量が小さくなっています.しかし,耐圧を高めたためサイズは小さくならず,コストはむしろ高くなる傾向です.

入力電圧が高くなるとサイズやコストが増加する

一般にVin が高くなると,Cin やD1の耐圧が高くなり,部品サイズや部品コストが増加する傾向にあります.また,Vin が低くなるとスイッチのON時間が長くなって,入力コンデンサの容量も大きくなるので,Vin が7~10Vのときもサイズが少し増加しています.

入力電圧が高くなるとダイオード損失やスイッチング損失が大きくなり効率が低下する

Vin が高くなると,デューティ比DC が小さくなりスイッチのOFF時間が長くなるため,ダイオード損失が増えていきます.スイッチの定常損失は小さくなりますが,スイッチング損失などそのほかの損失は増えるので,LM22676ではVin が特に低い領域を除いては,電源ICの損失も増える傾向です.そのため,トータル損失も増加しています.

出力電力(PoutVout Iout )が変わらないため,トータル損失が増えた分だけ効率は低下していきます.

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