DC/DCコンバータトポロジーと高昇圧比を得るための手法

光受信器において見出されるアバランシェフォトダイオード（APD）のバイアス、フラッシュカメラのフォトフラッシュ管の駆動、または高電圧キャパシタの充電のために使用されるかにかかわらず、高電圧電源の必要性が増え続けています。 その結果として、入力電源電圧が低いバッテリ駆動のユニットでは、入力の数倍となる電圧を生成するために、ステップアップまたは昇圧DC/DCコンバータが必要とされます。 これらの要件に対処するために、Analog Devices、Linear Technology、Maxim Integrated、およびMicrel Inc.やその他のサプライヤは、70Vおよびそれ以上の出力電圧を備えた昇圧コンバータを生産しています。

この記事ではそのような解決策を検討し、非常に低いDC入力から高DC電圧を生成するために10:1またはそれ以上の比率で出力電圧を昇圧する、それぞれのコンバータによって使用されるトポロジーと手法を説明します。

高い昇圧比

Analog DevicesのアプリケーションノートAN-1126¹によると、比較的高い（>10:1）昇圧比を得るためのいくつかのDC/DCコンバータトポロジーが存在します。 図1に示すように、これらには単純な昇圧、チャージポンプ逓倍昇圧、およびタップ型インダクタ昇圧が含まれます。 各トポロジによって提供される多くの利点がありますが、これらの手法はまた、大きな昇圧比で大きな電力を供給するための注目すべき欠点があります。


図1： 伝統的に、比較的高い昇圧比（>10:1）を取得するためのトポロジーには、単純な昇圧（a）、チャージポンプ逓倍昇圧（b）、およびタップ型インダクタ昇圧（c）が含まれています（Analog Devicesのからの無料提供）。

ADIのアプリケーションノートによると、単純な昇圧は高昇圧比で、MOSFET Q1に高電圧および高電流ストレスの両方を課し、結果として高スイッチング損失と導通損失をもたらします。 整流器の高電圧はまた、効率的なショットキーダイオードの使用を妨げます。 同様に、チャージポンプ逓倍昇圧トポロジーでは、各チャージポンプ逓倍段は、順方向電圧降下による損失を補てんする2つの追加の直列ダイオードが必要です。 さらに、ポンプコンデンサは、高いピーク電流と大幅な巡回垂下を起こすことを避けるために、値の大きなものでなければなりません。 高いピーク電流はまた、rmsスイッチ電流を増加する可能性が高く、電流モード制御波形を破損する傾向があります。

タップ型インダクタ昇圧トポロジーでは、出力整流器の電圧ストレスが高く、ADIによれば、トランスの漏れインダクタンスの影響を被ります。 この漏れインダクタンスは電圧スパイクやリンギングを生じ、次にはEMIの原因となり、MOSFETと出力整流器の両方に電圧ストレスを増大します。 このような影響はスナバで制御することができますが、電力を浪費し、追加的なコンポーネントと基板スペースを必要とすることになります。

改良されたトポロジー

ADIのアプリケーションノートAN-1126は、最小電圧とスイッチに課せられた電流ストレスで、大きな昇圧比で大規模な電力を供給するために、従来のトポロジーの欠点を克服する新しいコンバータトポロジーを提案しています。 これは、容易な連続導通モード（CCM）とPWM制御用に適度なデューティサイクルで動作しながらも、適度な定格のMOSFETとショットキー整流器を使用することを可能にします。 加えて、これはトランスの漏れインダクタンスに関連する電圧スパイクやリンギングを回避します。

再びADIのアプリケーションノートによると、シングルエンドの一次インダクタンスコンバータ（SEPIC）逓倍昇圧コンバータ（図2）は、メインスイッチおよび整流器の電圧および電流ストレスを減らし、スイッチノードのピークツーピーク電圧スイングを減少させることにより、上記の目標のすべてを達成し、大幅にスイッチング損失、EMI、およびノイズを抑制します。 さらに、これは単純な電流モード制御でCCMを可能にするために適度なデューティサイクルで動作します。 このすべての結果として、コストと性能の面で容易に部品選択のトレードオフを可能にします。


図2：2段階のSEPIC逓倍昇圧コンバータ¹

SEPIC逓倍昇圧手法にはいくつかの欠点もあります。 より高い損失を生じる結果となる、合計整流順方向電圧降下を増大させる直列接続された整流器の数を増加するだけでなく、これはまた、回路の複雑さおよび部品点数を増加させます。 より重要なことに、入力電圧と出力電圧の両方が高い場合、SEPIC逓倍昇圧手法は推奨されません。

固定周波数、SEPIC逓倍昇圧構成での電流モードステップアップコントローラADP1621を使用し、ADIの技術者は250mAの出力電流で12V_DC入力から200V_DC出力の昇圧コンバータを作成しテストしました（図3）。 この設計では、60V定格のMOSFETおよびショットキー整流器が使用され、コンパレータADCMP354（U2）は、入力不足電圧ロックアウト（UVLO）として機能します。 この昇圧コンバータは、ADIによると91％を超える効率を示しました。 この回路の部品選択はADIのアプリケーションノートで詳しく説明されています。


図3： このADP1621ベースのDC/DC昇圧コンバータは5x SEPIC逓倍昇圧構成を採用して、12V_DC入力から250mAで200V_DC出力を提供します。

フライバック充電器

電球に高電圧コンデンサを放電することによって動作するフォトフラッシュやストロボデバイス用に、MicrelはスイッチングレギュレータMIC3172を使用して、昇圧フライバック充電器回路を開発しました。 図4に示すように、この回路は簡単で確実に高電圧コンデンサを充電するために、3〜10V_DCの低い入力電圧から300V_DCを生成します。 これはフライバックトランスを介して安全性と絶縁を提供します。 Micrelのアプリケーションノート20²で説明したように、予め設定された出力電圧は抵抗分圧器（R1、R2、およびR3）とMIC3172内部の1.24Vリファレンスによって決定されます。 これは次のように計算されます。

V_OUT = V_REF[1 + (R1 + R2)/R3]

この回路は基板スペースを削減し、信頼性を高めるために最小数のコンポーネントを使用します。 Micrelは、予め設定された電圧に達するまで、コンデンサの電圧は各スイッチングサイクルと共に増加することを示します。この電圧に達するとMIC3172はスイッチングを停止します。 出力コンポーネントのエネルギー漏れはコンデンサが時間とともに放電する原因となるため、MIC3172はコンデンサが完全に充電を維持するために、時々エネルギーのパルスを提供すると、Micrelは述べています。 出力コンデンサが電球に放電すると、充電プロセスが繰り返されます。


図4： スイッチングレギュレータMIC3172を使用した、昇圧フライバック充電器回路。 これは3〜10V_DCの入力から300V_DCの出力を生成します。

同様に、光受信機のAPDをバイアスするために、Linear Technologyは、最小5V_DCの低入力から最大75V_DCの出力電圧を生成することができる、LT3571と名付けられた電流モードステップアップDC/DC昇圧コンバータを開発しました。 これは、全温度範囲で10％よりも良好な相対精度を備えたハイサイド固定電圧降下APD電流モニタを特長とします。 統合されたパワースイッチ、ショットキーダイオード、およびAPD電流モニタは、低コストで小型フットプリントソリューションを可能にします。 これは、従来の電圧ループと定電流または定電圧源として動作するユニークな電流ループを組み合わせます。 アプリケーションの詳細は製品のデータシートで丹念に説明されています。 APD電流モニタ用に2％前後の精度を必要とする同様のアプリケーションの場合、Linearは狭い入力電圧範囲を備えたLT3905を提供します。

結論として、技術者は比較的高い昇圧比を備えたステップアップまたは昇圧DC/DCコンバータのいくつかのサプライヤがあることがわかります。 しかし、各ソリューションはユニークで、それぞれに長所と短所があります。 そのため、所定の最終用途向けに望ましい解決策を生成することを確実にするために、設計者は慎重に製品のデータシートを読み取る必要があります。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品情報ページにアクセスしてください。

リファレンス

1. アプリケーションノートAN-1126、Analog Devices、マサチューセッツ州ノーウッド
2. アプリケーションノート20、「フォトフラッシュ高電圧電源」著者、Steve Chenetz、Micrel Inc.