ピーク電流制御型DC-DC変換の動作

出力電圧の安定化とインダクタ電流の変化

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ピーク電流制御型DC-DCコンバータは，インダクタ電流のピーク値を検出して制御する方式です．この制御方式は以下の動作原理に基づいています

1. ハイ・サイドFETオン時：インダクタ$L_r$に入力電圧$V_{in}$と出力電圧$V_{out}$の差が印加され，電流がリニアに増加する
2. ロー・サイドFETオン時：インダクタに逆起電力が作用し，電流がリニアに減少する
3. 1周期の終了後：次のスイッチング・サイクルが開始される

この動作を繰り返すことで，負荷変動や入力電圧変動に対して高速で応答し，出力電圧を安定化させます．ピーク電流モード制御では，出力電圧を分圧して検出し，その値を基準としてピーク電流位置を調整します．これにより，負荷変動時でも高い精度で出力電圧を維持できます．

出力電圧の安定化とインダクタ電流の変化

ピーク電流制御型DC-DCコンバータは，負荷変動や入力変動に対して以下の方法で出力電圧を安定化します

1. 負荷が増加した場合：ピーク電流値を上昇させることでインダクタから供給されるエネルギ量を増加させる
2. 負荷が減少した場合：ピーク電流値を低下させることで供給エネルギ量を減少させる
3. 入力電圧が変動した場合：スロープ補償を適用し，安定した制御ループを維持する

インダクタ電流はスイッチング周期ごとに増減を繰り返します．このリプル量$\Delta I_L$はスイッチング周波数$f_{sw}$およびインダクタ値$L_r$によって決定されます．適切な設計では，このリプル量が負荷要求に応じて最適化されます．

ピーク電流モード制御の利点と課題

ピーク電流モード制御（PCMC）は以下の利点があります

1. 高速応答性：負荷変動や入力変動に迅速に対応可能
2. 簡易な補償回路：VMC（Voltage Mode Control）よりも設計が容易である
3. 過電流保護機能：誤差増幅器の出力をクランプすることで実現可能

一方で以下の課題も存在します

1. デューティ比制約：36$\%$以上の場合にはスロープ補償が必要となる
2. S/N低下：低入力電圧条件下で検出信号品質が劣化する
3. 非連続通電モード（DCM：Discontinuous Conduction Mode）時の応答遅延：平均電流とピーク電流間の差異修正が必要となる

インダクタリプル量と設計指針

$\Delta I_L$は以下の要因で決定されます

1. $f_{sw}$（スイッチング周波数）：高周波数ほどリプル量が小さくなる
2. $L_r$（インダクタ値）：大きなインダクタ値ほどリプル量が小さくなる

$\Delta I_L$は効率と応答性のトレードオフを考慮して設計されます．高効率を優先する場合にはリプル量を抑える設計が求められます．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2003年　パデュー大学大学院を卒業
• 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
• 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．