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» 2012年06月28日 11時44分 UPDATE

超入門! イチから覚える電源回路(6):LEDドライバから学ぶ コンバータ部のスイッチング回路 (1/2)

今回は、降圧型コンバータの仕組みを解説します。

[梅津 秀恭/ネクスト・ディメンション,ITmedia]
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@IT MONOistで掲載された記事を転載しています



 前回、充電器やLEDドライバなどの定電流用途について回路例と交流入力電流の様子を見ました。今回は、先の回路例でスイッチング回路部を見ていきたいと思います。同じ定電流用途に対して2つの方式、降圧型(Buck Converter)と昇圧型(Flyback Converter)の例を示してあります。LEDドライバの例はBuck Converterそのものです。今回はBuck型を見ていきましょう。図1にLEDドライバのコンバータ部を示します。

 この回路は、与えられた交流入力電圧の範囲でチラツキを感じさせないような電流をLEDに流す目的で、直流電圧Edは図1のような脈動波形でコンバータに入力されています。コンバータはインダクタLに制御範囲内の電流ピーク値を流すように動作します。FETがONすると脈動電圧入力EdとVLEDの差電圧がインダクタLに加わり、インダクタLとLEDを通してFETに電流が流れ始めます。

LEDドライバのコンバータ部 図1 LEDドライバのコンバータ部

 この場合、LEDの順方向降下電圧VLEDはほぼ一定です。コンバータの動作周波数は十分高ければ(例えば200kHz)インダクタLの電流は直線的に上昇します。この電流が電流指令値に達すると、FETをOFFするように動作します。FETがOFFするとLの電流はダイオードDを通って流れ続けます。LEDの電圧により電流は直線的に減衰します。このとき、LにはFETがONの場合と反対の向きの電圧が発生し、LED電圧と釣り合った電圧となります。この電圧がインダクタLの磁束リセット電圧となります。

 いま、このOFFする時間をほぼ一定とすると、流れる電流のリップル電流ΔIはほぼ一定にすることができます。このリプル電流はLEDと並列のキャパシタCによりバイパスされ、LEDにはフラットな平均電流Iが流れます。図2にこの様子を示します。

各部動作波形 図2 各部動作波形

 図2に電流Iと抵抗Rの積である電圧、すなわちFETの電流を併記してありますが、FETがONするときに非常に大きなスパイク状の電流が描かれています。これはダイオードDのリカバリ電流といわれているもので、高周波スイッチング回路では特に厄介な存在です。また、図2にはコンバータを理解するための大切な項目も図示してあります。これらを基に各部品、例えばFETやDの電流、電圧仕様などを決める基礎データとなります。

 Buck Converterの制御はFETのON/OFFの割合をどうするかだけです。FETがONの間にコンバータの損失と負荷で必要とする電力をすべて供給するということに注目してください。これがコンバータの制御周期T(ON+OFF)とFETのONの比を決定します。いい換えると、コンバータ損失分の電圧降下をカバーした電圧をFETのON期間で補っているということです。FETのON期間と制御周期の比(D)はコンバータの効率をηとすると、

    D=VLED/ηEd=ON/(ON+OFF)=ON/T=ON×fSW (1)式

 となります。Tは制御周期、fSWはコンバータの動作周波数です。

 (1)式から負荷電圧(この場合LEDの電圧VLEDと直流電圧Ed)、効率ηが設計の基本条件です。まず部品の体格を決める動作周波数を決めます。これは使用するFETやダイオードの性能により限界がありますが、LやCの小型化には、周波数が高い方がよいことは自明です。

 まず、大物のLはどのようなステップで設計するのでしょうか。Lは正しく使用する限りにおいてはv=L×di/dtの枠内で動作します。当たり前ですが、Lの巻線に電流を流すとコアは磁化されます。磁化の状態は無限に許されていませんので、磁化された状態を元に戻すことを、コンバータ動作では必ず行わなければなりません。磁化の許容範囲を超えるとLではなく銅の電線になってしまい、FETに過大な電流が流れ、破壊してしまいます。

 正しく動作している限りは図2のようなリプル電流と磁束の変化として表されます。Lはリプル電流のピークまで磁化され、リプル電流の底で磁束は元の値に復帰しています。これが磁束のリセットといわれているものです。いい換えると、磁束のリセットを確実に行えるように設計することが設計者の仕事といえます。

 v=Ldi/dtにおいて、vは負荷電圧VLED=35VとしてインダクタLの値を決めることが求められます。設計者は入力電圧のカバー範囲とかFETの能力などを考慮し、回路の骨格を決定する動作周波数をできるだけ高い周波数(fSW)に設定します。この条件下でOFF時間(=dt)とリプル電流ΔI=diを決めます。これでインダクタンスが求められめでたしめでたしですが、インダクタLの体格を決める容量はインダクタンスの値とインダクタに流れる実効電流の二乗に比例します(1/2×L^I^2)。

 インダクタンス値を小さくすると電流のリプル成分が増大し、Lの実効電流は増え、2乗で容量は増えます。このトレードオフを忘れてはいけません。設計者はこの容量をできるだけ小さくするように、Lの値を決定する必要があります。

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