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May 26, 2023

ステップ用インダクタの選択

このシリーズの前の記事では、降圧スイッチング レギュレータのインダクタ値を選択する方法について説明しました。 今週は、スイッチモードコンバータのインダクタ電流を詳しく見ていきます。

このシリーズの前の記事では、降圧スイッチング レギュレータのインダクタ値を選択する方法について説明しました。 今週は、スイッチモードコンバータのインダクタ電流を詳しく見て、回路のインダクタンスを増減することによる潜在的な利点を検討します。

リフレッシュしましょう。 前回は、次の 2 つの画像で締めくくりました。LTspice に実装された降圧コンバータの回路図 (図 1)。 出力電圧とインダクタ電流のシミュレーション結果 (図 2) は、基準として 70 mA の定負荷電流が含まれています。

それはさておき、VOUT について考えてみましょう。 意図した出力電圧は 3.3 V で、シミュレートされた回路の VOUT は 3.26 V です。デューティ サイクルの計算に必要な効率の項は、軽微な誤差の原因となります。この項は、スイッチのデューティ サイクルを介して回路の動作に直接影響します。 90% という仮定値は、すべての場合において正確であるとは限りません。

いずれにせよ、シミュレートされた出力電圧が 3.3 V ではなく 3.26 V である理由はあまり気にしません。スイッチモード レギュレーションに関する記事で説明したように、スイッチング レギュレータは、所定のデューティ サイクルによって正確なレギュレーションを実現しません。 。 これらは閉ループ制御によって正確なレギュレーションを実現し、フィードバックと調整可能なデューティ・サイクルによってレギュレータが目的の出力電圧にロックできるようになります。

前の記事で使用したデューティ サイクルの公式は、実際には最大デューティ サイクルの公式であることも覚えておいてください。

$$D_{max}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{効率}}$$

この式は、24 V から 3.3 V を生成するのに ~15% を超えるデューティ サイクルは必要ないことを示しています。ただし、特定の動作条件下では、~15% 未満のデューティ サイクルが必要になります。たとえば、入力を維持した場合などです。電圧が同じで負荷電流が 70 mA から 5 mA に減少すると、3.3 V 出力を生成するには約 9% のデューティ サイクルが必要になります。

私たちの設計目標は、インダクタのリップル電流 30% でした。つまり、インダクタ電流の最大値と最小値は 80.5 mA と 59.5 mA でなければなりません。

\begin{配列}\\ I_{L,max}=70\ mA+(0.15\times70\ mA)= 80.5\ mA \\ I_{L,min}=70\ mA-(0.15\times70\ mA)=59.5 \ mA \end{配列}

カーソル情報ボックス (図 3) からわかるように、かなり近づいています。

リップル電流 30% を目標として使用しましたが、より一般的なガイドラインは 20% ～ 40% です。 それに基づいて、十分に許容範囲内にあります。適切なインダクタンス値が得られており、必要とみなされる場合には、最適化の適切な開始点となります。

電流波形の形状についてもコメントしたいと思います。 これは一種の偏った三角波で、スイッチング レギュレータのインダクタ電流の画像を検索するとよく見られるものです。 スイッチ制御波形 (図 4) を重ね合わせると、この特性の原因がすぐにわかります。

赤いトレースが示すように、デューティ サイクルは 50% よりもはるかに小さいです。 したがって、スイッチオン時間はスイッチオフ時間よりも大幅に短くなります。 ただし、インダクタ電流はサイクルの両方の部分で同じ垂直距離をカバーするため、デューティ サイクルが 50% を上回るか下回ると、波形が偏ることになります。

基本的な公式を使用して適切なインダクタンス値を導き出しましたが、ここからはどこへ進めばよいのでしょうか? 90 μH によってもたらされるパフォーマンスに満足している場合は、それが良好であると判断して、次の設計タスクに進むことができます。 ただし、多くの場合、改善の余地があります。

インダクタンス値を高くすることの利点の 1 つは、出力リップルの低減です。インダクタ電流リップルはインダクタンスに反比例し、回路内で他に何も変更しなければ、インダクタのリップルが増加すると出力リップルも増加します。

次のプロット (図 5 および図 6) は、元の回路 (L = 90 μH) と L = 30 μH の変更された回路の ΔIL および ΔVOUT を示しています。 直接視覚的に比較しやすいように、両方の軸の構成は同じです。

VOUT リップルを特に気にしない場合でも、インダクタ電流リップルが大きいと不利になる可能性があります。 それは次のような事態を引き起こす可能性があります。