出力電流が変わると設計がどう変わるか

V_in ＝9～14V，V_out ＝5Vはそのままで，I_out を3Aから2.5A，2A，1.5A，1Aへと小さくしていった場合を見てみます．

自動生成された回路図を図5に，それぞれの条件下での使用部品を表5に示します．また，コストやサイズ，各種特性の変化を表6と図6に示します．先の2例と同じように，最適化設定はコスト重視(最適化ダイヤルを3に設定)，効率や損失などの特性はV_{in max}におけるものです．


図5　出力電流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6　出力電流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5　出力電流を変えたときの各コンデンサとインダクタ

項目		出力電流					単位
		1A	1.5A	2A	2.5A	3V
入力コンデンサ	Cin	10	10	10	10	10	μF
	ESR	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	Ω
	サイズ	23.4	23.4	23.4	23.4	23.4	mm2
	コスト	0.2	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	100	44	56	44	56	μF
	ESR	0.1	0.001	0.04	0.001	0.03	Ω
	サイズ	58.6	46.8	53.3	46.8	53.3	mm2
	コスト	0.29	0.34	0.36	0.34	0.36	$
	備考	タンタル	積セラ	固体アルミ	積セラ	固体アルミ	－
インダクタ	L1	33	22	18	22	15	μH
	ESR	0.12	0.114	0.065	0.043	0.027	Ω
	サイズ	176	170	151	210	210	mm2
	コスト	0.27	0.33	0.48	0.43	0.43	$
	備考	ドラム	ドラム	シールド	ドラム	ドラム	－

表6　出力電流を変えたときの各特性の変化

項目		出力電流					単位
		1A	1.5A	2A	2.5A	3V
WEBENCHの設計データ
実装サイズ		377	360	347	399	406	mm2
部品コスト		2.77	2.89	3.08	3.05	3.07	$
効率	η	88	85	87	87	87	％
トータル損失	Pd	0.67	1.34	1.44	1.81	2.18	W
IC損失	Pd IC	0.23	0.37	0.53	0.74	0.98	W
ダイオード損失	Pd D1	0.3	0.68	0.61	0.76	0.92	W
出力電力	Pout	5	7.5	10	12.5	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	38.2	38.3	38.5	38.6	38.7	％
最小インダクタンス	Lmin	22.7	15.5	11.3	9	7.5	μH
特性の見積もり
出力リプル電流	ΔI	0.21	0.32	0.38	0.31	0.45	Ap-p
出力リプル電圧	Vripple	21	0.3	15	0.3	18	mVp-p
LC フィルタ共振周波数	f0	2.77	5.12	5.02	5.12	5.49	kHz

出力電流が小さくなると部品がどう変わるか

I_out の変化によって，C_out とL₁が変えられています．表5では省略していますが，D₁は電流容量が小さいものに変えられています．　入力電圧と出力電圧が変わらないので，デューティ比は基本的には変わらず，C_in はすべて同じになっています．

● インダクタンスは大きくなる
I_out が下がれば，その分リプル電流ΔI も小さくしなければならないので，L₁は大きくなります．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6に示すようにI_out ＝3AのときL₁＝7.5μH，I_out ＝1AのときL₁＝22.7μHです．

表5を見ると，ほぼ1.5～2.5倍程度の余裕をもった値になっています．I_out が小さくなるほど定格が低いインダクタを使えるので，インダクタンスが大きくても小型・低コストにできます．サイズではI_out ＝2AのときのL₁＝18μHが最も小型です．コストでは，I_out ＝1AのときのL₁＝33μHが最も低コストです．

● 出力コンデンサはインダクタとのバランスで決まる
I_out が小さくなるほどΔI も小さくなるので，同じC_out でもV_ripple を小さくできます．I_out が3A，2AではC_out ＝56μFの固体アルミ電解，また2.5A，1.5AではC_out ＝44μF(22μFを並列使用)の積層セラミックを選択しています．積層セラミックの方が少し小型，低コストです．この使い分けは，L₁とのバランスが関係しています．I_out が3A，2Aのときは，L₁を小さめ，C_out を大きめに選んでいます．I_out が2.5A，1.5Aのときは，L₁を大きめ，C_out を小さめに選んで，バランスを取っています．

I_out ＝1Aのときは，C_out ＝100μFと大きくなっています．このC_out は低コストでESR が大きいため，容量を大きく選んでいます．L₁は十分大きくΔI も抑えられているので，C_out ＝56μF(固体アルミ電解)やC_out ＝44μF(積層セラミック)に置き換えることができます．

出力電流が小さくなると小型・低コストになるがインダクタは例外

I_out が小さくなると，電流定格が低い部品を使えるため，サイズもコストも減らせられると考えられます．ただし，L₁も同時に大きくなるので，必ずしも小型・低コストにできるとは限りません．

特に，I_out が2A，1.5A，1Aの三つについては，L₁がサイズとコストのトレードオフの関係になっています，サイズはI_out ＝2Aのときが最小で，I_out ＝1Aのときが最大です．また，コストはI_out ＝1Aのときが最小で，I_out ＝2Aのときが最大です．そのため，サイズのグラフは2Aから1Aに向かってやや増加，コストのグラフは2Aから1Aに向かってやや減少という結果になりました．

出力電流が小さくなると小さな損失が無視できなくなってくる

I_out が小さくなると，スイッチやダイオードの定常損失が小さくなります．それで電源IC損失とダイオード損失はともに減少し，トータル損失も減少します．一方，P_out も同時に小さくなるので，効率ηはあまり変わりません．

ただし，これは出力電流が最小でも1A程度であり，制御回路などそのほかの損失に比べて出力電力が十分に大きいためです．出力電流がさらに小さくなると，そのほかの損失の比率が相対的に大きくなるため，効率は低下します．

なお，I_out ＝1.5Aのときダイオード損失がやや大きいのは，サイズやコストを優先してV_F がやや大きいデバイスを選んでいるためです．

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