SMPSにおける連続伝導モード：それは何であり、なぜ重要なのか

スイッチングモード電源の設計と分析は、一見シンプルに思えますよね。壁の電源を接続すれば、安定した直流電圧が得られると思いがちです。電源設計がそれほど単純であれば素晴らしいのですが、実際はそうではありません。トポロジー、部品選択、レイアウトの決定、絶縁、接地などが、電源の出力応答におけるノイズ、安定性、および過渡現象にすべて影響を与えます。スイッチング電源で常に考慮されない要素の一つに、エネルギー貯蔵部とコンポーネントがエネルギーを放出して出力端子に電力を供給する方法、つまり導通モードがあります。

連続導通モードは、電源を設計する際にデフォルトで望まれることが多いですが、スイッチング電源では不連続導通モードも利用可能です。これが何を意味するかを要約すると、電源内のコイルに蓄えられたエネルギーは不連続導通モードではゼロに落ち、連続導通モードでは決してゼロにはなりません。電力供給と測定に関して言えば、不連続モードではスイッチングによりコイルの電流が0 Aを横切るのに対し、連続モードでは0 Aを横切ることはありません。

これが重要な理由と、電源で目指すべきモードは何か？連続モードを好むことが多いですが、なぜ不連続モードになる可能性があるのか、どのようなトレードオフが関わっているのかを理解することが重要です。レギュレータ設計で連続導通モードを目指す理由と、不連続モードに達しているかどうかをどのように判断するかを見てみましょう。

連続導通モードが重要な理由

上述の通り、電源の連続導通モードは、充放電コイルの電流が0 Aに落ち込んだり、それを超えたりしない場合に達成されます。スイッチングコンバータのインダクタ電流の波形を見れば、システムが連続モードか不連続モードかをかなり簡単に判断できます。インダクタの電流が常に入力電流と同じ方向を指している限り、連続導通モードで動作していると言えます。

以下のグラフは、不連続モードで何が起こり得るかの例を示しています。ここでは、50%のデューティサイクルで100 kHz、そして非常に小さいインダクタ（たったの500 nH）を非常に小さい（10オーム）負荷に接続したシンプルなバックトポロジーをシミュレートしました。ここで、スイッチがオンの間にインダクタ電流が一時的に-40 mAまで下がるのを見ることができます。これは、過渡波形のアンダーシュートによるものです。スイッチがオフの時、OFF状態の回路は過減衰RLC振動子であり、次のPWMサイクルまでインダクタ電流が0 Aの周りで振動します。過渡応答のピークがこの振動中に約-200 mAに達し、かなりのリンギングが発生するため、これは望ましくないインダクタ電流となります。

上記のグラフを踏まえると、連続伝導モードについてなぜ気にするのかというのは妥当な質問です。いくつかの理由があります：

1. 不連続伝導モードでは、出力電圧はデューティサイクル、インダクタのサイズ、PWM周波数、および入力電圧の値に依存します。連続伝導モードでは、出力電圧はPWMデューティサイクルのみに依存します。
2. これは、不連続モードでは入力電圧の変化に対応するために単にデューティサイクルを調整するというのはもはや有用な制御戦略ではないことを意味します。
3. 上で見たように、不連続伝導モードでは、インダクタ電流に望ましくない過渡応答が生じ、これが出力電圧に伝播する可能性があります。
4. インダクタ電流の過渡応答は、PWMスイッチング中に減衰が不十分でリンギングが発生することがあり、高電流時にEMI放射を引き起こす可能性があります。

上記のポイント1では、スイッチングMOSFETの非線形効果は無視しましたが、これらのポイントはどのような場合でも有効です。特定のPWM周波数とデューティサイクルで動作する電源コンバータを設計しており、フィードバック検出やPWM調整がない場合、連続伝導モードについて心配することはおそらくありません。必要な電力を得られ、EMIがあまりひどくなければ、それについて心配する必要はありません。レギュレータ出力の正確な制御と低EMIを要求する実際のシステムは、出力電圧の変化に対応するために必要なレバーが1つだけで済む連続伝導モード設計を選択すべきです。

連続伝導モードの設計

システムの負荷が低すぎる場合、SMPSは不連続導通モードに入ります。連続導通モードへの設計プロセスは特定のプロセスに従います：所望の出力電圧を選択し、コイルのインダクタンスと出力キャパシタの値を計算し、PWMドライバのパラメータを選択します。これらのタスクは、目標負荷抵抗値に対して実行できます。

不連続モードで何が起こるか

不連続導通モードで動作している場合、出力電圧はインダクタの値、PWM周波数、およびデューティサイクルに依存します。単一のPWMソースとMOSFETを持つ単純なトポロジーでは、出力電圧は以下の方程式によって与えられます：

上記の方程式はよく知られています。私はあまりWikipediaを参照しませんが、彼らのバックコンバータとブーストコンバータに関する記事には、これらの方程式の導出が含まれています。より複雑なコンバータトポロジーの式を導出し、出力電圧、インダクタ電流、および不連続導通と連続導通の境界を決定したい場合は、彼らのステップに従ってください。

連続導通モードに適したインダクタを選択する

上記の方程式とDC-DCコンバータにおけるインダクタの基本機能から、他にもいくつかの点に注意する必要があります：

• インダクタは一般的にリップル電流を抑えるために大きくすべきです。実際には、連続伝導モードの動作を保証する最小のインダクタ値も存在します。上記から、L → 無限大になると不連続モードでの正解が消失することがわかります。
• 出力キャパシタも大きくすべきです。これはリップルを抑制し、インダクタがエネルギーを放出しているときに遅い放電を保証するためです。与えられたリップル電流と負荷に対して、設計が連続伝導モードで動作することを保証する最小の出力キャパシタンス値があります。

最小キャパシタンスとインダクタンスの方程式は、基本的なバック/ブースト設計のための多くのアプリケーションノートで見つかりますが、より複雑なトポロジーを分析することは難しく、SPICEシミュレーションを使用して、コンバータが連続伝導モードで動作することを保証する最小負荷抵抗を決定できます。

設計で評価すべきこと

明らかに、インダクタ電流は連続伝導モードの動作をチェックする際にSPICEシミュレーションで評価されるべきです。インダクタ電流がスイッチング中にゼロに落ちないようにするための設計戦略は、出力キャパシタンスと負荷抵抗値という他の回路要素の値を反復して試すことです。異なる負荷とキャパシタの値を実行して、選択したPWMパラメーターに対してインダクタ電流が正のままである領域を見つけます。

MOSFETの非線形効果は、インダクタ電流の立ち上がり/立ち下がり時間にも影響を与えるため、PWM駆動電圧や入力値の範囲も、不連続動作を避けるための設計候補となるかもしれません。MOSFETの有効なシミュレーションモデルを持っていることを確認し、PWMパラメータを選択する際には、DCスイープを使用してコンバータの線形範囲を見つけ出してください。

設計で使用したいスイッチングレギュレータのトポロジーが何であれ、Altium Designer®の最高のCADツールセットと回路シミュレーション機能を使用することを確認してください。設計が完成し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームはプロジェクトの共有やコラボレーションを容易にします。Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをご覧ください。