DC/DCの基本動作について (降圧CCM)

本記事では、降圧型DC/DCコンバータの基本動作について、降圧DC/DCコンバータの「連続モード(CCM: Continuous Current Mode)」を例に、DC/DCコンバータの動作概要を説明します。

１．降圧DC/DCコンバータの基本構成

降圧型DC/DCコンバータは、電圧変換機能を実現するために、以下の主要な素子/電子部品で構成されています。

・スイッチング素子(Main SW)

主にパワーMOSFETが使用されます。
この素子は、高速にオン/オフを繰り返すことで、コイル電流を断続的にインダクタへ供給する役割を担います。
そのオン/オフの比率(デューティ比)が、出力電圧を決定する重要な要素となります。

・ダイオード(D)

スイッチング素子(SW) がオフになった際に、インダクタに流れる電流経路を確保するために必要です。非同期整流型ではショットキーバリアダイオードが用いられます。同期整流型では、このダイオードの代わりに別のMOSFETが使用され、順方向電圧降下による損失を低減し高効率化を図ります。

・インダクタ(L)

磁気エネルギーを蓄積・放出することで、出力側に電流を供給する役割を果たします。

・入力コンデンサ(CIN)

入力電圧の変動を抑制し、DC/DCコンバータが安定に動作する役割を果たします。

・出力コンデンサ(CL)

インダクタから供給される電流を吸収し、出力電圧を安定させるために使用されます。

２．降圧型DC/DCコンバータの動作概要

降圧型DC/DCコンバータの動作は、スイッチング素子のオン/オフを下記の2つのフェーズを高速に繰り返すことで実現されます。

ステージ1: Pch FETスイッチON期間

この期間では、ハイサイドに配置されたPch FETスイッチがオン状態になります。
Pch FETスイッチがオン状態になると、入力からコイルに電流が流れ、出力側に電流を供給します。このときの各ノードの状態は、下記のようになります。

・Pch FETのゲート： 制御回路からの信号によりゲート電圧がLowレベルとなり、Pch FETスイッチがオンします。これにより、VINとコイルが導通します。

・電流経路 入力電圧から電流が流れ、オン状態のPch FETスイッチとコイルを経由して、出力容量(CL) に接続された負荷へと供給されます。

・コイル電流(IL): コイルには、入力電圧から出力電圧を差し引いた正の電圧(Vin​−Vout​) が印加されます。 この電圧差によりコイル電流は直線的に増加していき、電流の増加率は、(Vin​−Vout​)/L になります。

・Lxノード: Pch FETのドレインであるLxノードは、スイッチがオンしているためHigh(VINに近い電圧)となっています。

・VOUT: コイルを通して電流が供給され、出力コンデンサが充電され出力電圧が増加していきます。

ステージ2: Pch FETスイッチOFF期間

次に、Pch FETスイッチがオフしたステージ2の動作です。
この期間では、ハイサイドに配置されたPch FETスイッチがオフ状態になります。
Pch FETスイッチがオフ状態になると、GNDからコイルに電流が流れ、出力側に電流を供給します。
このときの各ノードの状態は、下記のようになります。

・Pch FETのゲート:制御回路からの信号によりゲート電圧がHighレベルとなり、Pch FETスイッチがオフします。

・電流経路: スイッチがオフしても、インダクタは電流を急激に変化させることを嫌う性質(レンツの法則)を持っています。そのため、インダクタに蓄えられた電流はダイオード(D) または同期整流用MOSFET(SW2) を通じて出力コンデンサ(CL) に流れ続けます。

・コイル電流(IL): コイルには、負の電圧 ​−Vout が印加されます。 この電圧差によりコイル電流は直線的に現象していき、電流の増加率は、​−Vout/L になります。

・Lxノード: コイル電流を継続するために、ショットキーバリアダイオード(または同期整流用MOSFET)がオンする電圧を自己誘導によって発生させます。具体的には、Lx電圧がGNDよりも低くなることで、ダイオードは順方向にバイアスされ、電流を流し続けるパスが形成されます。

・VOUT: コイルを通して電流が供給されますが、わずかに出力電流より供給電流が小さいため、充電され出力電圧が低下していきます。

出力電圧の制御：デューティ比(Duty比)

制御回路は、出力電圧を常に監視し、負荷電流や入力電圧の変動に応じてこのデューティ比をリアルタイムで調整します。
これにより、たとえ外部条件が変化しても、安定した目標出力電圧を維持することが可能となります。
例えば、負荷電流が増加して出力電圧が低下しようとすると、制御回路はデューティ比をわずかに増加させて、より多くのエネルギーを出力側に供給し、電圧を回復させます。