出力電圧が変わると設計がどう変わるか

V_in ＝9～14V，V_out ＝3Aはそのままで，V_out を5Vから3.3V，2.5V，1.8V，1.3Vへと下げてみます．これまでは5V固定出力のLM22676-5.0を使ってきましたが，出力電圧を変えるために，ここでは可変出力のLM22676-ADJを使います．このため，出力電圧設定用抵抗のR_{fb 1}とR_{fb 2}が追加されます．また，V_out ＝5Vのときの推奨設計は，ほかの結果と多少異なっています．
自動生成された回路図を図3に，それぞれの条件下での使用部品を表3に示します．また，コストやサイズ，各種特性の変化を表4と図4に示します．

先ほどの場合と同じく，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，効率や損失などの特性はV_{in max}におけるものです．


図3　出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4　出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3　出力電圧を変えたときの各コンデンサとインダクタ

項目		出力電圧					単位
		1.3V	1.8V	2.5V	3.3V	5V
入力 コンデンサ	Cin	2	10	10	10	10	μF
	ESR	0.0055	0.003	0.003	0.003	0.003	Ω
	サイズ	18.7	23.4	23.4	23.4	23.4	mm2
	コスト	0.03	0.2	0.2	0.2	0.2	$
	備考	積セラ	積セラ	積セラ	積セラ	積セラ	－
出力 コンデンサ	Cout	270	270	470	100	100	μF
	ESR	0.02	0.02	0.02	0.035	0.1	Ω
	サイズ	77.4	77.4	156	53.3	58.6	mm2
	コスト	0.35	0.35	0.38	0.36	0.29	$
	備考	固体アルミ	固体アルミ	固体アルミ	固体アルミ	タンタル	－
インダクタ	L1	10	10	15	10	15	μH
	ESR	0.02	0.02	0.027	0.02	0.027	Ω
	サイズ	210	210	210	210	210	mm2
	コスト	0.43	0.43	0.43	0.43	0.43	$
	備考	ドラム	ドラム	ドラム	ドラム	ドラム	－

表4　出力電圧を変えたときの各特性の変化

項目		入力電圧					単位
		1.3V	1.8V	2.5V	3.3V	5V
WEBENCHの設計データ
実装サイズ		516	502	581	478	437	mm2
部品コスト		3.03	3.17	3.2	3.18	3.91	$
効率	η	63	71	76	82	87	％
トータル損失	Pd	2.27	2.26	2.31	2.23	2.18	W
IC損失	Pd IC	0.62	0.67	0.74	0.81	0.98	W
ダイオード損失	Pd D1	1.44	1.38	1.3	1.21	0.92	W
出力電力	Pout	4.5	5.4	7.5	9.9	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	13	16.5	21.4	26.8	38.7	％
最小インダクタンス	Lmin	3.6	4.4	5.3	6.2	7.5	μH
特性の見積もり
出力リプル電流	ΔI	0.32	0.39	0.32	0.56	0.45	Ap-p
出力リプル電圧	Vripple	6	8	6	19	45	mVp-p
LC フィルタ共振周波数	f0	3.06	3.06	1.9	5.04	4.11	kHz

出力電圧が低くなると部品がどう変わるか

V_out の変化によって，C_in ，C_out ，L₁が変わります．また，表3では省略していますが，V_out が低くなるとスイッチのOFF時間が長くなり，平均ダイオード電流が増えるため，必要に応じてD₁も電流容量が大きいものに変えられています．

● インダクタンスを小さくできる
V_out が低くなると，インダクタ電圧が下がってdI /dt が小さくなるので， L₁を小さくできます．表4に示すように，リプル電流ΔI ＝0.3I_out に抑えるための最小インダクタンスは，V_out が5Vのとき7.5μH，1.3Vのとき3.6μHです．

表3を見ると，V_out が5V，2.5VのときはL₁＝15μH，また3.3V，1.8V，1.3VのときはL₁＝10μHで，いずれも余裕をもった値になっています．これらのインダクタは同じシリーズの製品で，サイズ，コストも同じです．

● リプル電圧低減のため出力コンデンサを大きくする必要がある
V_out が下がれば，その分リプル電圧V_ripple も小さくしなければなりません．例えば50mV_p-pのV_ripple は，V_out ＝5Vに対してはわずか±0.5％ですが，V_out ＝1.3Vに対しては約±2％になります．そこで，V_out が低くなるにしたがってC_out を大きめに，ESR を小さめに選択しています．
V_out が2.5V以下ではC_out は270～470μFと大きくなっていて，V_ripple は6～8mV_p-pに抑えられています．表4を見ると，その分LC フィルタのf₀も低くなっています．

V_out ＝5VではC_out ＝100μFで，LM22676-5.0の推奨設計(表1のV_in ＝9～14Vのときの値)よりかなり大きくなっています．これはC_out が低コストでESR が大きいため，容量を大きく選んでいるためです．固体アルミ電解ならC_out ＝56μFに変えることができます．

● 入力コンデンサは小さくできる
V_in は変わりませんが，V_out が下がるほどスイッチのON時間が短くなるため，C_in を小さくできます．表3を見ると，V_out ＝1.3VのときだけC_in ＝2μFと小さくなっていて，それ以外はC_in ＝10μFとなっています．

出力コンデンサの大容量化がサイズをわずかにアップさせた

V_out が低くなるにしたがって，V_ripple を小さく抑えるためにC_out が大きくなります．その分，サイズもやや大きめになる傾向です．しかし，同時にC_out の耐圧を下げられるので，コスト的にはそれほど大きな変動はありません．

トータル損失が変わらなくても出力電力の低下によって効率が悪化

V_out が低くなってもトータル損失P_d はあまり変わりません．ところが，出力電力P_out ＝V_outout I が小さくなるため，効率ηは急激に低下してしまいます．効率の値を評価する場合は，この点に注意すべきです．

V_out が低くなるとデューティ比D_C が小さくなるため，ダイオード損失が増え，スイッチの定常損失は減っていきます．入力電圧やスイッチング周波数が変わらなければ，スイッチング損失など電源ICのそのほかの損失は変わらないので，LM22676ではダイオード損失の増加と電源IC損失の減少がほぼ相殺されます．

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