低入力供給からの高DC出力電圧の生成

白色LEDバックライトの駆動か、RFおよびアナログ回路、ラップトップ、タブレットそして他のモバイルデバイスの給電かにかかわらず、多くの場合、入力電源電圧よりもずっと高い電圧が必要です。 その結果として、昇圧またはブーストDC/DCコンバータは、これらのシステムにおけるさまざまな回路および機能に対応するために、入力よりも数倍高い出力電圧を生成します。 たとえば、電池駆動のシステムにおいて、入力は通常5Vおよびそれを下回る値である一方で、RF/アナログ機能を給電または薄膜トランジスタ（TFT）液晶ディスプレイ（LCD）を駆動するのに、15および24V以上の高い電圧が必要です。 また、同様に、高電圧は光学レシーバに見られるアバランシェフォトダイオード（APD）をバイアスするのに必要です。

こうしたニーズに対処すべく、Analog Devicesは、2つの低電圧DC/DCブーストコンバータを同社の製品ラインナップに追加しました。 ADP1612およびADP1613 DC/DCコンバータにより、設計者は、最小1.8Vの入力電圧を、最大20Vの出力電圧にブーストすることが可能になります。薄型パッケージングおよび高スイッチング周波数動作と組み合わされると、これらのDC/DCコンバータは、低消費電力が不可欠で、PC基板スペースが貴重なポータブルアプリケーションにおける電池駆動時間を増加します。

ADP1612は1.8～5.5Vの入力DC電圧範囲をサポートする一方で、ADP1613は2.5～5.5Vの入力DC範囲を扱います。可変出力電圧により、ブーストコンバータは、非安定化入力電圧動作で電池寿命を延ばすことができます。 ブーストコンバータは、負荷状態にわたって出力電圧を安定化し、起動時の突入電流のリスク軽減に寄与するために、パルス幅変調（PWM）電流モードアーキテクチャを使用します。 その結果、これらのデバイスは、システム信頼性向上のために、高速過渡応答および安定した出力電圧レベルで最大94%の効率を提供することができます。

図1は、ブーストコンバータ用の代表的な応用回路を示しています。 ADP1612とADP1613の両方は、650kHzまたは1.3MHzで動作することができます。 より高いスイッチング周波数により、より小さなインダクタの使用が可能になる一方で、効率は、スイッチング周波数が倍加されるたびに約2%低下します。 これらのコンバータにおいて、スイッチング周波数はピン選択可能です。 FREQピンは、650kHz動作用にグランド（GND）、または1.3MHz動作用にピンV_INに接続されます。

図1：スイッチングコンバータであるADP1612/1613を使用した代表的なDC/DCブースト構成。

ブーストレギュレータの主要なコンポーネントであるこのインダクタは、パワースイッチのオン時間の間にエネルギーを貯蔵し、オフ時間の間に出力整流器を通じて出力のそのエネルギーを伝達します。 アプリケーションノート¹で、Analog Devicesは、低インダクタ電流リップルと高効率のトレードオフのバランスをどのように取るかについて説明しています。 そのドキュメントでは、4.7～22μH範囲のインダクタンス値を推奨しています。

より低い値のインダクタは、一定の物理サイズのためにより高い飽和電流およびより低い直列抵抗を備えている一方で、インダクタンスが低い結果、ピーク電流が高くなり、効率の低減、より高いリップル、そしてノイズの増加につながる可能性があります。 したがって、インダクタサイズを低減し安定性を向上させるために、ブーストコンバータを不連続伝導モードで実行させるほうがよいとAnalog Devicesのアプリケーションノートは述べています。 さらに、ピークインダクタ電流（最大入力電流とインダクタリップル電流の半分）は、インダクタの定格飽和電流よりも低く、かつレギュレータに対する最大DC入力電流は、インダクタのrms電流定格未満である必要があると述べています。

これらのブーストコンバータは両方とも、ADIのADIsimPower™設計ツールセットによってサポートされています。この設計ツールセットは、設計者が完全な回路図および部品表を生成し、数分で性能を計算するのに役立ちます。 ADIsimPowerは、ICおよびすべての実際の外付け部品の動作状態や制約を考慮に入れながら、コスト、面積、そして部品点数向けに設計を最適化することができます。

ADIの昇圧コンバータ評価ボードで代表的なADP1612-BL3-EVZは、完全なDC/DC昇圧コンバータを提供します。この昇圧コンバータは、5V（ADP1612）および12V（ADP1613）出力電圧向けの入力や負荷状態の全範囲にわたって動作できるように選択されたすべての部品を備えています。 この評価ボードは、R1およびR2を変更することで、異なる出力電圧向けに調整することができます。 この評価ボードのドキュメントによれば、図1のL1、D1、C_COMP、およびR_COMPはまた、安定した動作を確保するために調整または再計算することができます。

LCDバックライトに使用される白色LEDの給電、またはLCDバイアス電源の生成のために、Texas Instrumentsは、高度に統合された低電力ブーストコンバータであるTPS61040/41（図2）を提供しています。これらの製品は、デュアルセルNiMH/NiCdまたはシングルセルLiイオン電池入力から最大28Vの出力電圧を提供することができます。 この部品はまた、3.3または5V入力から標準12V出力を生成するのに使用できます。

図2：最大1MHzの周波数で動作する統合型ブーストコンバータTPS61040/41は、数個の小さな外付け部品のみを必要とします。

小型のSOT23およびSONパッケージに収められたこれらのコンバータは、最大1MHzのスイッチング周波数で動作します。 組み込み出力パワーMOSFETを備えたこの部品は、数個の小さな外付け部品のみを必要とします。 高スイッチング周波数により、セラミック出力コンデンサまたはタンタル出力コンデンサを使用することができます。 TPS61040は400mAの内部スイッチ電流制限を提供する一方で、TPS61041は250mAのスイッチ電流制限を有しています。 また、低静止電流（標準28μA）は、最適化された制御方式とともに、デバイスが全負荷電流範囲にわたって非常に高い効率で動作することを可能にします。

より高いDC出力

お客様の回路でさらに高い電圧が必要な場合、TIのTPS61170が役に立つ可能性があります。 この製品はモノリシック、高電圧スイッチングレギュレータで、統合型1.2A、40VのパワーMOSFETを備えています。 この製品は最大38Vの出力電圧を提供することができます。この部品のデータシートは、ブーストおよびシングルエンドプライマリインダクタンスコンバータ（SEPIC）を含む複数の標準スイッチングレギュレータトポロジを示しています。 このデバイスは広範な入力電圧範囲に対応し、マルチセルバッテリ、または5Vまたは12V安定化電源レールで給電を行うアプリケーションをサポートします。

高出力電圧ブーストコンバータを提供している他の半導体サプライヤには、Linear Technology Corp.およびMaxim Integratedなどがあります。 たとえば、Linearは、光学レシーバでのアバランシェフォトダイオード（APD）をバイアスする電流モード昇圧DC/DCコンバータを開発しました（図3）。 最大75Vの出力電圧を生成するように設計されたLT3571は、全温度範囲にわたり10%より優れた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ています。 パワースイッチ、ショットキーダイオード、APD電流モニタを内蔵しているため、小さなソリューションフットプリントおよび低ソリューションコストを実現します。 この製品は、従来の電圧ループと独自の電流ループを組み合わせて、定電流源または定電圧源として動作することができます。

図3：アバランシェフォトダイオードをバイアスするためのLT3571ベースの5～45Vブースト電源回路。

Linearはまた、LEDの駆動およびLCDのバイアスなどのアプリケーション向けの最大40Vの出力電圧を提供することができるブーストコンバータを有しています。 これらには、LT3494/AおよびLT1615が含まれます。 LT3494/Aは最大40Vの出力電圧を提供するように調整されている一方で、LT1615は最大34V出力定格を提供します。

同様に、MaximのMAX1605は、最小0.8Vのバッテリ電圧を出力で最大30Vにブーストすることができます。 このコンバータは、0.5A MOSFETを内蔵しているため、外付け部品点数が削減されるとともに、その高スイッチング周波数により、小型面実装部品を使用できます。 電流制限は500、250、または125mAに設定でき、低電流アプリケーションにおいて出力リップルの低減と部品サイズの削減が可能です。

要約すれば、高出力DC電圧を提供する昇圧またはブーストコンバータは、主要なICメーカーから入手することができます。 各部品には長所と短所があるため、設計の要件に応じて、技術者は、特定のアプリケーション向けの部品を選択する前に主要な仕様を記載したデータシートを注意深く読む必要があります。 この記事で説明した部品の詳細については、DigiKeyウェブサイトの製品ページにアクセスするために提供されているリンクを使用してください。

リファレンス：

1. アプリケーションノートAN-1132、「DC/DC昇圧（ブースト）レギュレータの適用方法」著者：Ken Marasco、Analog Devices Inc.、Norwood, MA