効率的なDC-DCコンバータ設計：Altium Designer 24 MixedSimによる自動測定

現代の電子機器における主要な課題の一つは、特定の電源供給ソリューションを提供することです。このセクションは、ACからDCへのコンバーターやDCからDCへのコンバーターなど、さまざまなSMPS（スイッチングモード電源）で構成されることがあります。高電力アプリケーションでは、ACからDCへの変換には、デバイスの良好な電力因数（すなわち、高調波の削減と見かけ上の電力消費の削減）を達成するためにPFCコントローラーが必要になる場合があります。SMPS設計における典型的な課題は：

1. 設計に必要な電源電圧と電流を達成するためのSMPSレギュレーターの数；
2. 実装コスト；
3. 設計を実装するために必要なエリア；
4. レイアウト設計；
5. 効率と熱削減または熱管理設計のサポート。

ポイント"d"と"e"は、Altium Designer Mixed Simulationを使用することで容易に対処できます。例えば、Altium Designerと統合できるKeysightのPower Analyzerを使用して、PCB内の電流密度をシミュレートできます。この記事では、DC-DCバックコンバーターをより効率的にする方法について掘り下げ、その効率を迅速に見積もるための簡単で効果的なヒントをいくつか共有します。

バックコンバーター設計について

基本的なバックコンバーターの回路図は図1に示されています：

図1

4つのオペアンプを使用して、ランプ信号発生器（U3A）、エラーアンプ（U1B）、ランプ信号のバッファ（U2B）、および変調器（U2A）を作成します。基準電圧は、RCネットワークを介してエラーアンプに接続されたDCソースとしてシミュレートされ、ソフトスタート機能を提供します。図1は、PWM変調を使用して出力電圧を設定する電圧モードコンバータです。

電力段はQ1、L1、D2、およびC2を中心に構築され、R7がコンバータの負荷抵抗として機能します。U3Aに関連するコンポーネントは動作周波数を設定し、C1を変更することで簡単に調整できます。C1を4.3nFに設定すると、周波数は約100kHzになります。

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コンバータの安定性に影響を与える補償ネットワークは、安定性またはステップ応答（C4、C3-R10、およびR12-C6）を改善するために調整できます。R8とR9は、基準電圧とともに出力電圧を設定します。この場合、R8とR9は1:2の分割器を作成し、出力電圧を6Vにします。

図2は、シミュレーション中に収集された信号を示しています。出力電流は2Aに設定され、これはL1を通る平均電流にも反映されます。

図2

設計の効率を見積もるためには、設計から2つの量を計算する必要があります：入力電力と出力電力。出力電力を入力電力で割った比率が効率です。

Altium DesignerのSPICEシミュレーションを使用すると、電力計算を簡単に行い、これらの量を分割して効率値を決定することができます。

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入力電力の計算方法

DC-DCコンバータの入力電力は、V1（DCソース）から得られます。シミュレーションダッシュボードタブ経由でアクセスできるAdd Output ExpressionウィンドウからV1の電力を取得できます（図3を参照）。

図3

図4は電力プロット（プロット4）を示しています：

図4

電力消費を計算するには、AVG()式を使用して波形の平均を取ることができます（図5を参照）。

図5

図6は平均化された波形を示していますが、ウィンドウのスパンのためにいくつかのリップルが見えます。電力消費はカーソルを使用して読み取ることができ、13.26Wを示しています。

図6

コンバータに供給される電力の瞬時値を得るために、図7に示すように測定を設定することができます。

図7

さらに、AVG() 関数は、既に平均化された波形を平均化することを避けるために、波形式から削除する必要があります。これは不正確さを引き起こす可能性があります。Sim Data Measurements タブでは、図8に示すように、V1によって供給される電力が表示されます。

図8

出力電力の計算方法

出力電力（R7に供給される）の計算は、図9および図10に示すように、同じ方法で実行できます。

図9：R7の電力トレースの設定

図10：「Measurements」によって得られた入力（PWR-IN）および出力（PWR-OUT）の電力値

効率の計算方法

効率を計算する次のステップは、出力電力を入力電力で割ることです。これを行う一つの方法は、2つの電力の除算を表すプロット内のトレースを作成し（図11）、平均を取ることです（図12）。オプションで、結果をパーセンテージとして提示するために100を掛けることができます。Measurements内のAVG()関数は、波形の安定状態と見なせる部分のみを平均するために、875µsから1msの時間範囲に適用されることに注意してください（図13を参照）。

図11：効率のためのトレース式

図12 & 13：効率計算のための測定設定

効率値はSim Dataタブに表示されます（図14）。測定値は0.82（82%）です。効率をより高い値に向上させるために（つまり、発熱を減らすために）、図1の設計に追加の変更が必要になるかもしれません。例えば、D2の代わりに同期整流を使用するか、Q1のゲートの駆動強度を増加させることができます。

図14：「Measurements」タブに表示されたDC-DCコンバータの効率

最後に

Altium DesignerのSPICEシミュレーションは、時間とコストを削減するために電源設計の課題に対処できます。効率やインダクタの電流の測定、リアルタイムでの設計調整は、Measurementsや数学的操作のような高度なオプションを使用して簡単に実装できます。シミュレーション環境の使いやすさと柔軟性は、複雑な設計課題であっても対応でき、時間を節約し、最高の設計実装を達成することに集中できるようにします。