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» 2018年09月03日 11時00分 公開

DC-DCコンバーター活用講座(23) 入力および出力フィルタリング(1):DC-DCコンバーターのバックリップル電流対策 (1/3)

今回から、DC-DCコンバーターの入力および出力フィルタリングを取り上げていきます。

[Steve Roberts(RECOM),EDN Japan]

 今回から、DC-DCコンバーターの入力および出力フィルタリングを取り上げていきます。

はじめに

 全てのDC-DCコンバーターには、出力コンデンサーの充放電による出力リップル電圧が存在し、それぞれのエネルギーのパルスは内部発振器によるものです。この出力リップルの周波数はメイン振動数と同じか2倍で、これはトポロジーによって異なります。また、通常は100〜200kHzの範囲です。このリップル電圧に重なるのがスイッチング電圧スパイクで、周波数ははるかに高く、通常はMHz範囲です。

 入力電流にも、その波形に対して2つの成分があります。負荷によって異なるDC成分と、バックリップル電流あるいは反射リップル電流と呼ばれるAC成分です。AC成分は、内部発振器によって流れる脈動電流によって生じます。この組み合わせ波形に重なるのが、スイッチングスパイクに対応する高周波の電流摂動です。一般にDC電流は、1次電源の容量が適切に設定されている限り問題を引き起こすことはありませんが、AC電流パルスは、基板配線、リードおよび接続部分の寄生インダクタンスと寄生容量のために、回路の他の部分に干渉する可能性があります。さらに入力電流は、入力リードの合成抵抗によって電圧降下を発生させます。脈動電流が存在する場合は電圧降下も脈動し、入力リードは放射アンテナと同様に作用しました。

 従って、外部フィルターを使って入力リップルと出力リップルの両方を減らす必要がありますが、その理由はそれぞれ異なります。出力フィルターは出力電圧をよりスムーズにすることが目的で、入力フィルターは干渉を減らすことが目的です。これらのフィルターの設計と選択は、簡単ではありません。これは、入力波形にも出力波形にも広範な周波数にわたって擾乱(じょうらん)が含まれている上に、非対称(DM:差動)擾乱と対称(CM:同相)擾乱の両方が含まれているからです。

図1:DC-DCコンバーターによって生じる干渉の模式図 出典:RECOM

 RECOMのテクニカルサポートには、要件に合致する入力フィルターと出力フィルターをコンバーター内に組み込まないのか、という問い合わせが時々寄せられます。その理由は、RECOMの全ての設計には、ほとんどのアプリケーションにおけるコンバーターの入力、出力リップルおよびノイズを許容できるレベルとするために、基本的なフィルタリング機能が組み込まれているからです。フィルタリング機能を強化することは可能ですが、コストが上がるためRECOMの標準製品が備える性能以上の性能を必要としない多くのユーザーにとって、これはデメリットとなってしまいます。

 さらに、RECOMの製品の多くはサブミニチュアケースで提供されており、コンバーター内部には、既に取り付けられているものよりも大きいインダクターやコンデンサーを取り付けるだけの十分な物理的スペースがありません。アプリケーション内に自由になるスペースがほとんどないユーザーは、低コストでサイズの小さいDC-DCコンバーターを歓迎し、リップルやノイズが多少大きくても妥協を受け入れる傾向にあります。リップル、ノイズ指数を下げる必要に迫られているユーザーは、いつでも必要なフィルタリング機能を追加してその要求を満たすことができ、不要な機能や部品を使用することによるBOMコストの上昇を避けることができます。

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