入力電圧が変わると設計がどう変わるか

まず，V_out ＝5V，I_out ＝3Aという条件はそのままで，V_in 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と図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V_{in min}から最大値V_{in max}まで幅がありますが，効率や損失などの特性は最大値V_{in 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V_in の変化によって，入力コンデンサC_in ，出力コンデンサC_out ，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，V_in 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
V_in 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 ＝0.3I_out 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V_in 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V_in が22～40VのときはL₁＝22μHとやや大きく，V_in 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
C_out の容量は，L₁とC_out によるLC フィルタの共振周波数f₀がf_SW の1/100程度になるように選ばれています．C_out 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
C_in は，スイッチがONの時に過渡電流を供給するものです．V_in が高くなるとスイッチのON時間が短くなるので，C_in の容量を小さくできます．ただし，V_in に合わせてC_in の耐圧を高くしなければなりません．

表1を見ると，V_in 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V_in が高くなると，C_in 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，V_in 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，V_in 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

V_in が高くなると，デューティ比D_C 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V_in 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(P_out ＝V_out I_out )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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