スイッチングレギュレータは入力電圧をより高いまたはより低い出力電圧に変換し、そのためにインダクタを使用して電気エネルギーを一時的に蓄えます。 インダクタのサイズは、スイッチングレギュレータのスイッチング周波数と回路を流れる予想される電流によって異なります。では、正しいインダクタ値を選択するにはどうすればよいでしょうか? インダクタ値は、インダクタ電流リップルを組み込んだ一般的な式を使用して決定できます。
スイッチングレギュレータのほとんどのデータシート、およびほとんどのアプリケーションノートやその他の説明文では、インダクタ電流リップルは公称負荷動作の 30% であることが推奨されています。 これは、インダクタ電流のピークとインダクタ電流の谷が、公称負荷電流における平均電流よりもそれぞれ 15% 高く、15% 低いことを意味します。 なぜ 30% のインダクタ電流リップルまたは電流リップル比 (CR) を選択することが適切な妥協策と考えられるのでしょうか?
図 1 に示すような降圧コンバータの場合、式 1 が適用されます。
図1. 降圧コンバータを使用した場合の対応するインダクタ電流リップル。
この式は、電流リップル比 CR、L に基づいて降圧コンバータに必要なインダクタンスを計算します。この比は通常、0.3、つまり 30 パーセントのピークツーピーク リップルとして指定されます。 この式では、それぞれのスイッチング周波数に応じて、D はデューティ サイクルを表し、T はサイクル時間を表します。
別のインダクタ電流リップルを使用するとどうなりますか?
図 2 の赤い線は、回路のインダクタ電流リップル (出力電流 3 A で電流リップル比 (CR) 30%) を表しています。これは、スイッチング レギュレータ回路設計における一般的な妥協の選択です。青い波形はインダクタに対応します。電流リップルは 133%、緑色の波形はインダクタ電流リップル 7% に対応します。
図2. 公称負荷時のリップル電流比30%の場合のインダクタ電流リップル(赤)、小さなインダクタ電流リップル(青)、および大きなインダクタ電流リップル(緑)。
図 3 は、出力電流として部分的な公称負荷 (例: 1A) で動作する同じ回路を示しています。 図3の青い波形で示されているように、インダクタ電流リップルが高い場合、インダクタは各サイクルで完全に放電します。 このモードは不連続伝導モード (DCM) と呼ばれます。 このモードでは、制御ループの安定性が変化し、より高い出力電圧リップルが発生する可能性があります。
図3. 部分負荷時のリップル電流比30%のインダクタ電流リップル(赤)、小さなインダクタ電流リップル(青)、大きなインダクタ電流リップル(緑)。
したがって、DCM を回避するには、特定のリップル電流比を使用する必要があります。 リップル電流比 30% で適切な妥協点が得られます。 リップル電流比が低い場合、システムは部分負荷であっても、ほとんどの場合連続電流伝導モードで動作します。 そこで、回路を最適化することで、このモードでの動作が可能になります。
高すぎるリップル電流比を選択するとどうなりますか?
リップル電流比が 30% を超えると、インダクタのサイズが小さくなり、コストが削減されます。 ただし、ピーク電流は大幅に高く、一般的な回路が許容できる量をはるかに超える大量の電磁干渉 (EMI) が発生します。 さらに、連続導通モード (CCM) を使用するには、負荷電流をさらに大きくする必要があります。 これはまだ問題にはなりませんが、このモードでは動作特性が変化するため、回路設計時に考慮する必要があります。
さらに、インダクタ電流リップルが低い場合と比較して、インダクタ電流リップルが低い場合、出力電圧が高くなります。
リップル電流比が低すぎるとどうなりますか?
リップル電流比が 30% を下回ると、インダクタのサイズが大きくなり、コストが高くなります。 エネルギー貯蔵デバイスのサイズが大きいため、負荷過渡応答は若干低くなります。 たとえば、高負荷電流を素早く切断する場合、インダクタに蓄えられた電力をどこかに転送する必要があります。 これにより、出力コンデンサ (COUT) の両端の電圧が上昇します。 インダクタ内の電気エネルギーが多いほど、出力電圧は高くなります。 過電圧により電源回路が損傷する可能性があります。
さまざまなインダクタ電流リップル比の長所と短所を比較検討した結果、ほとんどのアプリケーションでは、約 30% 程度の電流リップル比がより適切であることがわかりました。 ただし、結果が許容できる限り、場合によってはこれを逸脱することも可能です。
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