DC/DCスイッチング電圧コンバータ用パルス周波数変調の利点

DC/DCスイッチング電圧変換器の人気は、主にリニアレギュレータに比べて電圧入力と出力電流の広い範囲にわたって、その効率的な安定化に由来します。 ただし、低負荷では、コンバータIC自体の静止電流がシステム損失に多大な影響を及ぼすので、効率が次第に小さくなります。

主要な部品メーカーは今では、低負荷条件下での効率を向上させるために、予め設定された電流閾値で自動的に一般的なパルス幅変調（PWM）安定化方法からパルス周波数変調（PFM）技術へシフトする「デュアルモード」スイッチングコンバータの製品範囲を提供しています。

この記事では、PFMがどのように機能するかを記述し、その利点といくつかの欠点を説明してから、いくつかのシリコンベンダーが統合されたパワーチップにその技術をどのように実現するかを考えます。

PWM対PFM

PWMはスイッチングコンバータの出力を安定化するための唯一の技術ではありません。 電源の出力を調節するために固定周波数方形波のデューティサイクルを変更する代わりに、一定のデューティサイクルを使用し、安定化を達成するために、方形波の周波数（PFM）を調節することも可能です。 一定オン時間または一定オフ時間制御を備えたDC/DC電圧コンバータは、PFMアーキテクチャの典型的な例です。

PFMアーキテクチャの第2の例はいわゆるヒステリシス電圧変換器で、コンバータによって検知された出力電圧の変化に基づいてMOSFETがオンとオフにされる安定化のための単純な方法を使用します。 このアーキテクチャは、設定点のちょっと上または下に出力電圧を連続的に往復させるので、しばしば「リップルレギュレータ」または「バンバンコントローラ」と呼ばれます。 ヒステリシスは、予測可能な動作を維持し、スイッチのチャタリングを回避するために使用されます。 ヒステリシスアーキテクチャは、回路の動作条件に基づいてMOSFETの駆動信号を変化させるので、スイッチング周波数が変化します。

PFMアーキテクチャは優れた低電力変換効率、低いソリューション全体のコスト、および制御ループ補償ネットワークを必要としないシンプルなコンバータトポロジーなど、DC/DC変換用のいくつかの利点を提供しますが、いくつかの注目すべき欠点によりPWMデバイスよりも一般的ではありません。

最初はEMIの制御です。 固定周波数スイッチングコンバータのフィルタ回路は、広範囲の周波数にわたって動作するデバイスの設計よりもはるかに容易です。 第2に、PFMアーキテクチャは、供給されている高感度のシリコンに問題を引き起こす可能性がある、出力でのより大きな電圧リップルを引き起こす傾向があります。 第3に、低い（あるいはゼロでも）周波数でのPFM動作は、遅い応答や、いくつかのポータブルアプリケーションでの消費者の失望につながる可能性がある、スイッチングコンバータの過渡応答時間を増大させます。

しかし、モノリシック「デュアルモード」スイッチングコンバータにPWMアーキテクチャの利点とPFMデバイスの利点を組み合わせることにより、製造業者は動作範囲全体にわたって高い効率を有するソリューションを提供することができます。 PFMに関連付けられたEMIの懸念は、このような干渉の根本的な原因は高電流および高電圧での高速スイッチングであり、デュアルモードチップでは、可変周波数動作は低電流および低電圧動作中にのみ使用されるので大幅に緩和されます。

スイッチング電圧レギュレータ内のエネルギー損失

スイッチングデバイスの電圧を調節するための最も一般的な技術は、通常数百メガヘルツ帯の設定周波数でユニットの内部MOSFET（または同期デバイスでは複数のMOSFET）を切り替える矩形パルス波を生成するために、発振器とPWMコントローラを使用します。 （周波数が高いほど、より大きな電磁干渉[EMI]の課題を犠牲にすることによって、より小さな磁気部品の使用を可能にします。） レギュレータの出力電圧は、PWM波形のデューティサイクルに比例します。

一般的にはこの技術はうまく機能しますが、低負荷での効率が損なわれます。 その理由を理解するためには、電圧レギュレータの入力で取り込まれたエネルギーが出力負荷に転送されない損失が発生する場所を検討することが必要です。

スイッチングレギュレータでの損失には4つの主な原因があります。 最初は、MOSFETのゲート容量を充放電するために使用されるエネルギーに起因する動的な損失であり、トランジスタが高周波数で動作するときに最も高くなります。 これらのスイッチング損失は有意な差動電圧がドレインソースチャネルにわたって存在する間に、電流がドレインソースチャネルを流れるときに発生します。 他のMOSFETの損失は、パワースイッチング素子のゼロ以外のチャネル抵抗を介して高電流を流す際に発生します。 （電力コンポーネントメーカーが、自社製品の「オン抵抗」を減らすために懸命に働くのはこのためです。）

スイッチングコンポーネントに加えて、スイッチングレギュレータの回路における受動デバイスも非効率になる傾向があります。 インダクタの場合、損失は（巻線の）伝導と磁性体コアに起因します。 コンデンサの場合、損失は一般的にコンポーネントの等価直列抵抗（ESR）に関連付けられ、デバイスの静電容量、動作周波数、および負荷電流によって決定されます。

スイッチングレギュレータを実装するための2つの方法があります。 技術者は、ディスクリート部品を使用して最初からデバイスを構築することも、Texas Instruments、Linear Technology、およびFairchild Semiconductorなどの大手半導体ベンダーから利用可能な多くのコンバータICの1つの電源をベースにすることができます。 モジュールの利点は、設計プロセスが簡略化されることです。 （TechZoneの記事「DC/DC電圧レギュレータ：どのようにディスクリートおよびモジュラー設計のどちらを選択するか」を参照してください。）

しかし、コンバータIC自体がスイッチングレギュレータの全体的な損失に影響します。 例えば、一部のエネルギーは、アンプ、コンパレータ、およびリファレンス用の内部バイアス電流を提供するために必要とされますが、ICの大部分の損失はPWMコントローラの内部発振器および駆動回路に関連します。 スイッチングレギュレータが高負荷に曝されている場合は、このような損失は比較的軽微ですが、負荷が減少するにつれて、スイッチングおよび外部受動デバイスに関連する損失が減少しますが、コンバータのICに関連したものは一定のままです。

このことは、携帯製品の設計者にとってジレンマのようなものを提示します。 技術者は、バッテリーの予算を管理することに対して圧力を受けているため、効率的なスイッチングレギュレータの選択（例えば、リニアレギュレータと比較して）が当然の選択と思われます。 （TechZoneの記事「リチウムイオンバッテリの寿命を延長するための設計技術」を参照してください。） しかし、ポータブル製品は低電力の「スタンバイ」や「スリープ」モードの下でかなりの期間を費やし、スイッチングコンバータに対する需要は控えめであり、相対的に非効率的に動作します。

典型的なハンドヘルドデバイスは、完全に動作している場合は1アンペア付近を消費しますが、スタンバイまたはスリープモードでは1ミリアンペア未満を要求します。 コンバータIC自体は単にその動作状態を維持するために数ミリアンペアを消費することを考慮すると、レギュレータの静止電流は全負荷のかなりの部分を占めるので、変換効率が低負荷条件下で劣るということは驚きではありません。

効率の改善

支配的な損失（つまり、PWMコントローラ用の内部発振器および駆動回路に関連するもの）に対処するために、設計者は市場に出回っている多くのデュアルモードスイッチングコンバータのいずれかを選択することができます。 これらのデバイスは、PFM技術（PWMの下で動作している場合の通常の固定周波数よりも、一般的にはるかに低い可変周波数を特長とします）と通常のPWM動作を兼ね備えています。

デュアルモードスイッチングコンバータが中程度から高電流で動作する場合には、連続導通モードで動作します（それによってインダクタの電流がゼロになることはありません）。 負荷電流が減少するに従って、コンバータは不連続モードに切り替えることがあります（インダクタの電流が軽負荷により、ゼロになる場合）。 非常に軽い負荷では、コンバータはPFMに入ります（時にはメーカーによっては「省電力モード」[PSM]とも呼ばれます）。 他のベンダーは、発振器を完全停止することにより、極端な可変周波数動作を取ります（しばしば「パルススキッピング」として参照されます）。

低負荷時のPFMの使用は、スイッチングコンバータがPFMアーキテクチャを使用することを意味するものではなく、むしろ必要に応じてPFM動作を利用することができるPWMアーキテクチャを採用していることに留意してください。

軽負荷条件下では、スイッチングコンバータの出力コンデンサは、スイッチングパルス間のある期間の出力電圧を維持することができます。 理想的なケースでは、発振器を無負荷状態で完全にオフにすることができ、出力電圧は出力コンデンサの充電状態により一定のままに保たれることになります。 しかし、寄生損失はコンデンサを放電するので、回路は安定に調整された出力電圧を維持するために、少なくとも時折パワースイッチにパルスを与えることが必要となります。

PFM動作中には、出力電力はパルス列の平均周波数に比例し、コンバータはフィードバック制御ループによって測定された出力電圧が設定出力電圧を下回ったときに動作します。 出力電圧が設定出力電圧と0.8～1.5パーセント設定出力電圧より高い値の間の典型的な値に到達するまで、その後コンバータのスイッチング周波数は増加します（図1はこの技術を示します）。


図1：PFMは、負荷の需要を満たすために固定デューティサイクルの矩形パルス列の周波数を変化させます。

PFM動作の副作用

パワースイッチを再びオンにする必要があるかを感知するための（固定点ではなく）許容帯域の必要性により、スイッチングコンバータがPFMモードに切り替わる場合に、電圧出力リップルの増加がしばしば観察されます。 狭い許容帯域が使用される場合、コンバータはより頻繁に切り替わり、省電力を減少させることになります。 技術者は、改良された低負荷時の効率と増加した電圧出力リップルの間の最良のトレードオフを決定する必要があります。 図2aおよび2bはそれぞれ、PWMとPFMモードで動作するスイッチングコンバータの電圧リップルの差を示します。


図2：PWM動作（a）とPFM動作（b）の電圧リップル（Analog Devicesの提供）。

負荷過渡時には、すべてのスイッチングコンバータは、何らかの量のハイからローへの負荷過渡時のオーバーシュートやローからハイへの負荷過渡時のアンダーシュートを示すことになります。 PSMで動作しているコンバータの場合には、負荷レベルが既に低いので、次の過渡はローからハイへの電流となります（一般的には、スリープからアクティブモードへの移行に対応します）。 レギュレータ出力の負荷の増加は、多くの場合、コンバータループが応答する時間を持てるまで、「出力電圧たるみ」をもたらします。

いくつかのスイッチングコンバータには、この電圧降下を最小限に抑えるための対策が含まれています。 TIのTPS62400は「ダイナミック電圧ポジショニング」を採用しています。 PSM動作中には、出力電圧設定点は、負荷が急に高く昇圧されるときに発生する瞬間的な電圧過渡たるみを予測して、わずかに（例えば、1パーセントなど）増加します。 これは、初期負荷過渡中に安定化のウィンドウ以下に出力電圧が落下するのを防ぎます。

一部のデバイスはまた、良好な過渡応答（PWMモードで最高）と低消費電力（PSMで最高）との間の妥協のバランスをとるために使用することができる拡張機能を提供します。 拡張機能は、エンジニアがI²Cコマンドを使用してコンバータICに実装することができる中間モードで、PSMよりも優れた過渡応答を提供しますが、PWMよりも効率的です。 中間モードは、高負荷から非常に軽い負荷（たとえば、スリープモード）になるシステムに適したオプションです。

商用チップでのPFM

低負荷でのPFM動作は、ICの静止電流を数mAから数μAまで低減することができます。 図3は、軽負荷レベルでのPSMと比較してPWMモードで動作している場合のTPS62400スイッチングコンバータの電力変換効率を示しています。


図3：TIのTPS62400用PSMを実装する場合の効率改善

図3から、PWMモードが100mA以上の良好な効率を維持する間に、PSMの使用は1mA以下の負荷電流であっても80～90パーセントの間に効率を向上させていることがわかります。 コンバータがこのような軽負荷時にPWMモードで動作する場合、その動作電流は負荷電流よりもはるかに高くなり、（30％よりもかなり低い）非常に貧弱な変換効率をもたらします。

Analog Devicesは、PSMを備えたいくつかのスイッチングコンバータを提供します。 このモードに入ると、PWM安定化レベルに誘起されるオフセットは、PWM安定化レベルより約1.5％以上に達するまで出力電圧を上昇することとなり、その時点でPWM動作はオフにされ、両方のパワースイッチがオフのアイドルモードに入ります。 出力コンデンサは、V_OUTがPWM安定化電圧に低下するまで放電することが可能です。 このデバイスは、次にインダクタを駆動し、V_OUTを再び上限の閾値に上昇させます。 このプロセスは、負荷電流がPSM電流閾値未満である限り繰り返されます。

同社のADP2108電圧レギュレータは、2.3Vの入力電圧および10mAの出力電流で40～75パーセント効率を改善するためにPSMを使用します。 このチップは3MHzのステップダウン（「降圧」）コンバータで、最大600mAで2.3〜5.5Vの入力から3.3Vの出力を提供します。 図4は、PWMからPSMへの移行が起こる時点を示します。


図4：Analog DevicesのADP2108用PWM～PSM閾値

他の電力コンポーネントメーカーはまた、デュアルモードスイッチングコンバータを提供します。 Linear Technologyは、低負荷での効率を向上させるために、「バーストモード」とパルススキッピング動作の両方を特長とするLTC3412Aを供給します。 このチップは2.25～5.5Vの入力範囲にわたって動作することができる降圧コンバータで、最大3Aで0.8〜5Vの出力を提供します。

バーストモードは上記の中間PFM技術の一例で、妥当な過渡応答を維持しながらも、効率を改善します。 例えば、バーストモードを実装することによって、10mAの出力電流（V_IN 3.3 V、V_OUT 2.5 V）での効率は30～90パーセント改善されます。 LTC3412Aはまた、低負荷時にスイッチング損失をさらに低減する従来のパルススキッピング動作モードを含みます。

バッテリ寿命の延長

PWM制御型スイッチングコンバータは、設計技術者がポータブル製品のバッテリ寿命を延長する必要があるときの一般的な選択肢です。 しかし、多くのポータブル製品は、コンバータのまさに最も非効率の動作点である低電力スリープモードで、多くの時間を費やすことを覚えておくことが重要です。 バッテリへの要求は控えめですが、長期的には電流は加算され、バッテリ寿命が損なわれます。

PWMアーキテクチャを使用するが特定の負荷閾値以下でPFMまたは他のPSM技術から恩恵を受けるコンバータを採用することにより、設計者は、通常動作時のPWMの利点を享受することができ、多くのポータブル機器が休止している長い期間中、バッテリー容量を維持することができます。