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DC/DCコンバータ設計セミナー

リニアレギュレータと

スイッチングレギュレータの

基礎


1. リニアレギュレータの基礎

①リニアレギュレータの動作原理

②リニアレギュレータの種類と回路構成

③長所と短所、アプリケーション

④リニアレギュレータの重要スペック

⑤効率と熱計算

1 リニア/スイッチングレギュレータの基礎

2. スイッチングレギュレータの基礎

①スイッチングレギュレータの種類

②長所と短所、リニアレギュレータとの比較

③降圧型スイッチングレギュレータの動作原理

④同期整流型と非同期整流型の違い

⑤同期整流式の軽負荷時の効率を改善する機能

⑥制御方式 (電圧モード、電流モード、ヒステリシス制御)

⑦保護機能/シーケンス機能

⑧スイッチング周波数の考慮点

アジェンダ







2 リニアレギュレータの基礎



3 リニアレギュレータの動作原理

• エラーアンプ、帰還、出力トランジスタで構成

• 動作は反転増幅回路と同じ

• エラーアンプの非反転端子（分圧点）の電圧はVREFと同じ電圧なので、2本の抵抗比によりVOUTが決まる。

＋

－

VIN VO

VREF

R2

R1

（=VREF）

例： VREF = 1.0V、VO = 3.3V、R2 = 10kΩ とした場合

100μA

R1が23kΩであれば、100μA×33kΩ=3.3V

IN OUT

FB

（FB）

VIN VO

エラー

アンプ

出力Tr

基準電圧


4 リニアレギュレータの種類

• 呼称：シリーズレギュレータ、三端子レ

ギュレータ、ドロッパー、LDO（Low

Drop Out）＝リニアレギュレータ

• LDOは標準型を改善し、ドロップアウト

電圧を下げたもの

• 出力固定型と可変型があるが、固定型

は可変型の外付け抵抗を内蔵したもの

• 一般にバイポーラプロセスのものは高

耐圧で消費電流は大きめ。CMOSのも

のは耐圧は低めだが低消費

• パッケージは様々だが、放熱の良いも

のが前提

リニアレギュレータ

・正電圧（固定/可変）－標準型

－LDO

・負電圧（固定/可変）－標準型

－LDO

HTSOP-J8

HSON8


制御トランジスタには、バイポーラNPN / PNPトランジスタ、Pch /

Nch MOSFETが使われ、ドロップアウト電圧や特性が異なる。

5 リニアレギュレータの回路構成

• 制御トランジスタの種類によってドロップアウト電圧が異なる

• 動作原理は基本的に同じ

• NPN標準型は78xx/79xxなど0.5A～1A

出力のものが多い

• NPN型LDOは5A超の大電流が可能

• PNP型LDOはLDOの標準

• Pch/Nch MOSFETはさらに低ドロップアウトを目指したもの

＋

－

VIN VO

VREF

R2

R1

（=VREF）制御トランジスタドロップアウト電圧

NPN標準型 3V前後

NPN LDO 1V～2V

PNP LDO 0.5V以下

MOSFET LDO 0.5V以下


6 長所と短所、アプリケーション

設計が簡単

部品点数が少ない

省スペース（放熱板を使わなければ）

ノイズが小さい

過渡応答が高速

安価

入出力差が大きいと効率が悪い

低効率＝発熱が大きい

放熱器が必要になる場合がある

降圧しかできない

• AV機器

• RF、無線、通信機

• 医療機器

• 計測器

• 小電力電源など

長所短所

アプリケ－ション


① 入力電圧範囲

② 出力電圧範囲

③ 出力精度（Vref精度）

④ 出力電流

⑤ ドロップアウト電圧

⑥ 過渡応答特性

⑦ リップル除去比

7 リニアレギュレータの重要スペック

基本的な確認ポイント

• 絶対最大定格は必ず確認

• 温度、電圧等の条件を確認（実使用と近いか）

• 保証値だけではなく連続的な特性をグラフで確認

• Typ、Min、Max値のどれをよりどころにするか検討

スペック表の例


① 入力電圧範囲

• 意味：入力端子に印加してよい電圧範囲

• 動作やスペックが保証される範囲なのか最大定格なのかをよくチェック

• 通常は推奨範囲に準ずる

• 動作する最低入力電圧は：VO＋ドロップアウト電圧以上になることに注意

• Tj MAXにより、VO、IO、Taの条件により制限を受ける


② 出力電圧範囲

• 意味：出力電圧の範囲（固定タイプは固定値）

• VREF～（VIN MAX－VDROPOUT）

• 通常は推奨範囲に準ずる

• Tj MAXにより、VO、IO、Taの条件により制限を

受ける

③ 出力精度（VREF精度）

• 意味：±%で示される誤差

• 固定タイプは固定値（VO）、可変タイプはVREF

VIN MAX

VO

有効入力範囲

VDROPOUT

出力範囲

入力範囲

VREF


④ 出力電流

• 意味：出力できる電流（能力）

• 電流リミットという表現の場合もある

• 注意：最大値なのか最小値なのか確認

• 短絡電流のスペックも（あれば）参考に

• Tj MAXにより、VIN、VO、Taの条件により

制限を受ける


⑤ ドロップアウト電圧

• 意味：出力安定化動作のために必要な

入出力間の電圧差

• 入出力電圧差、損失電圧とも呼ぶ

• これ以下に差が縮まると動作しない

• LDOはこれが小さい

• IOや温度による変動が大きいので注意

IO、Taに対するドロップアウト電圧の変動の例 VIN MAX

VO

有効入力範囲

VDROPOUT

出力範囲

入力範囲

VREF


⑥ 過渡応答特性

• 意味：急激な負荷電流変動によって起こる出力電圧の変動を収束させる速さ

• 大電力の負荷（CPUなど）がスリープからウェイクしたときなどに起こる

• 連続的負荷の増減による出力電圧のシフト（変動）とは分けて考える

• 基本的にはスペック値はなく、グラフで特性を確認する

• ICの性能だけではなく、出力容量（コンデンサ）の影響も受ける


過渡応答特性の例


10 100 1k 10k 100k 1M

⑦ リップル除去比

• 意味：入力電圧に含まれているリップル（脈動）が出力電圧では除去される比率。

dBで表すことがほとんど

• PSRR（電源電圧リップル除去）、入力電圧リップル除去とも呼ばれるが同じ

• 除去比はリップル周波数に対する依存が大きいので注意

• スイッチングレギュレータのポストレギュレータ、整流-平滑が十分でない場合に検討


リップルリジェクションの例


12 リニアレギュレータの効率と熱計算

VIN

VO

損失電力

有効電力

VDROPOUT

VIN

VO

IIN

IO







⑤同期整流型の軽負荷時の効率を改善する機能

⑥フィードバック制御方式 (電圧モード、電流モード、ヒステリシス)

⑦保護機能およびシーケンス制御




14 スイッチングレギュレータの種類

DC/DCコンバータ

非絶縁型

非同期整流式

同期整流式

絶縁型

フライバック

フォワード

プッシュプル

ハーフ/フルブリッジ

AC/DCコンバータ

非絶縁型

絶縁型

• 用途：民生、産業、国内、海外．．

• 入出力条件：AC、DC、バッテリ．．

• 性能目標：電力、効率、精度．．

• 制限事項：サイズ、コスト、規制．．

電流モード

電圧モード

ヒステリシス

PWM

PFM

降圧

昇圧

昇降圧

反転

スイッチング

レギュレータ動作モード出力電圧を制御する

フィードバック制御方式出力を安定化する


15 長所と短所、リニアレギュレータとの比較

降圧、昇圧、反転、昇降圧が可能

効率が高い

発熱が少ない

大きな出力電流が可能

設計が複雑

部品点数が多い

スイッチングノイズ/リップルがある

コストがそれなり

リニア

レギュレータ

スイッチング

レギュレータ

降圧

昇圧

昇降圧

反転

可

不可

不可

不可

可

可

可

可

効率 VO/VIN

低いことが多い

～95%前後

一般に高い

出力電力一般に数W

放熱設計による大電力が可能

ノイズ小スイッチング

ノイズあり

設計簡単複雑

部品数少ない多い

コスト ○ △

リニアレギュレータとの比較

長所

短所


スイッチングレギュレータの降圧原理

16 降圧型スイッチングレギュレータの動作原理

75%

25%

50%

50% 50%

25%

VIN

時間（デューティサイクル %）

VO 平均化

• S1がON、S2がOFFだとL1にはVINが印加

• S1がOFF、S2がONだとL1はGNDへ接続

• VIN (DC) をVIN/GNDのパルスに変換

• C1で平均化されDCへ変換

VIN VO

S1

S2

L1

C1

平均化

必要な電力だけを入力側から取り込むので高効率です


VIN

D1 C1

L1 S1

VO


• 非同期（ダイオード）整流の基本回路

• S1は通常トランジスタ素子

• D1は前ページではS2で表記

• 赤はS1 ON時の電流経路、緑はOFF時

IO

IO

IO

0

0

0

VIN

VIN

0

0

0

0

0

VIN

VOUT

0

IO

IIN（平均）

0

S1

VIN

C1

L1

D1

電圧電流

SW OFF

SW

ON SW OFF

Diode

ON Diode

OFF

Diode

ON



負荷

負荷

制御回路

制御回路

比較回路

比較回路

スイッチ

スイッチ

基準電圧

基準電圧

入力電圧出力電圧


① 出力電圧が設定電圧になっているかを基準

電圧と比較します。

② 設定電圧よりも低い場合は、スイッチがオンと

なり入力から出力へ電力を供給します。

③ この時インダクタに磁気エネルギーが蓄積さ

れます。

④ 出力電圧が設定電圧よりも高くなるとスイッチ

がオフとなります。

⑤ インダクタに蓄積されていた磁気エネルギー

が電流となって出力負荷へ供給され、再びイ

ンダクタへ戻ってきます。

⑥ インダクタの磁気エネルギーがなくなり、出力

電圧が下がってくると、再びスイッチがオンに

なります。

①

②スイッチオン

③

④スイッチオフ

⑤

スイッチ電流

ダイオード電流

インダクタ電流

スイッチ

オン

スイッチ

オンオフオフ


19 スイッチングレギュレータの種類

3つの組み合わせにより

降圧、昇圧、反転を作成します

VIN VOUT

降圧

VIN VOUT

昇圧

VIN VOUT

反転

VIN

昇降圧

VOUT

スイッチ

インダクタ

ダイオード


20

降圧型の動作原理

スイッチング

(電圧を分割)

負荷

L OUT

C Vin

IN

Vout

Vout 時間

Vin 時間

SW1

SW2

時間

電圧

スイッチング周期

ON

OFF 時間

ON

OFF 時間


SW1

SW2

平滑

電流

SW1 ON

電流

電流


出力電流

降圧型の動作原理①


21

時間 Toff Toff Toff

Ton Ton Ton SW

時間

Im Iout

時間

Id Iout

時間

FB

OSC

Vin

M1

Di 負荷

Id

L Vout

Im

SW

OSC

－

＋

ERROR

AMP INV PWM

COMPARATOR

－

＋

DRV FB

三角波基準

電圧

R1

R2

ADJ電圧を基準電圧と

同じになるようFBを増幅させる

ADJ

FB電圧と三角波と比較し

ONすべき時間を決める

時間

Iout

ΔIL

ton toff

T

IL

IL

※出力電圧精度は

抵抗R1、R２のばらつき＋基準電圧精度＋α

Vin

降圧型の動作原理②


L1-N

/ V

1.94

1.96

1.98

2

Q1-S

/ V

-1

1

3

5

I(Q

1-D

) /

A

-2

0

2

4

6

Time/uSecs 1uSecs/div

194 195 196 197 198 199

I(D

1-a

node)

/ A

-2

0

2

4

6

C1

10u

L1

D1

V1

Q1

V2 R1

I1

22

降圧型は入力電圧をカットすることで

出力の電圧を決定します。

FETのON時間が長いほど

高い電圧を出力することができる。

降圧型の動作原理③

Vout

SW

FET電流

Di電流


C1

10u

L1

D1

V1

Q1

V2 R1

I1

23 降圧型の動作原理④

DUTYの違いによる昇圧量の変化

DUTY 20％ DUTY 80％

L1-N

/ V

3.69

3.72

3.75

3.78

Q1-S

/ V

-1

1

3

5

I(Q

1-D

) /

A

-1

1

3


193 194 195 196 197 198

I(D

1-a

node)

/ A

-1

1

3

R1-P

/ m

V

740

780

820

860

Q1-S

/ V

-1

1

3

5

I(Q

1-D

) /

A

-1

1

3


194 195 196 197 198

I(D

1-a

node)

/ A

-1

1

3

Vout

SW

FET電流

Di電流

Vout

SW

FET電流

Di電流


24

昇圧型の動作原理

スイッチング

(電圧を分割)

負荷

OUT

C Vin

IN

Vout

Vin 時間

Vout

時間

SW

時間

電圧


平滑

SWON

電流


出力電流

L 電流

SWがOFFした時、インダクタに流れている電流の経路が無くなり

インダクタに蓄えられたエネルギーが高い電圧となるため

昇圧することができる

昇圧型の動作原理①


25

時間 Ton Ton Ton

Toff Toff Toff SW

時間

Im Iout

時間

Id Iout

時間

FB

OSC

時間

Iout

ΔIL

ton toff

T

Vin

M1

Di

負荷

L

Vout SW

OSC

－

＋

ERROR

AMP INV PWM

COMPARATOR

－

＋

DRV FB

三角波

IL

基準

電圧

Im Id





IL

R1

R2 ADJ

昇圧型の動作原理②


D1-c

ath

ode /

V

8.7

8.85

9

Q1-D

/ V

-0

4

8

I(D

1-a

node)

/ A

0

3

6

Time/mSecs 500nSecs/div

1.9865 1.987 1.9875 1.988 1.9885 1.989 1.9895 1.990

3

6

26

昇圧型は電圧、電流範囲に上限があり

負荷電流により、一般的に

約3倍～5倍程度が上限となる。

V

C1

10u

L1

D1

V1

Q1

V2

1

R1

1

I1

FETのON時間が長いほど

高い電圧に昇圧することができる。

昇圧型の動作原理③

Vout

SW

FET電流

Di電流


27 昇圧型の動作原理④ D

1-c

ath

ode /

V

5.05

5.15

5.25

5.35

Q1-D

/ V

1

3

5

7

I(Q

1-D

) /

A

-0

1

2

3

Time/mSecs 1uSecs/div

1.96 1.961 1.962 1.963 1.964 1.965

I(D

1-a

node)

/ A

-0

1

2

3

4

D1-c

ath

ode /

V

23.05

23.15

23.25

23.35

Q1-D

/ V

-0

10

20

I(Q

1-D

) /

A

-0

4

8

12

16


1.992 1.993 1.994 1.995 1.996 1.997 1.998 1.999 2I(D

1-a

node)

/ A

-0

4

8

12

16



V

C1

10u

L1

D1

V1

Q1

V2

1

R1

1

I1

Vout

SW

FET電流

Di電流

Vout

SW

FET電流

Di電流


28

反転型の動作原理

スイッチング

(電圧を分割)

負荷

OUT

C Vin

IN

Vout

Vin 時間

Vout

時間時間

電圧


平滑

SWON

電流

入力電圧

出力電圧

出力電流

電流

SWがOFFした時、インダクタに電流が流れ続けようとするため

出力電流を吸い込み、スイッチング電圧がマイナスに振れることにより出力に負電圧が出る。

SW1

L

＋

反転型の動作原理①


29

時間

Ton

Toff SW

時間

Im Iout

時間

Id Iout

時間

FB

OSC

Vin

M1

Di

負荷

L

Vout SW

OSC

－

＋

＋

ERROR

AMP INV PWM

COMPARATOR

－

＋

DRV FB

三角波

IL

基準

電圧

Im

Id





IL

R2

R1 ADJ

リファレンス

電圧

Toff

Ton

Toff

Ton

Toff

ΔIL

ton toff

T

反転型の動作原理②

時間

Iout


D1-a

node /

V

-4

-3.8

-3.6

Q1-D

/ V

-4

0

4

I(Q

1-D

) /

A

-7

-5

-3

-1


1.99 1.992 1.994 1.996 1.998 2I(D

1-c

ath

ode)

/ A

-7

-5

-3

-1

30

反転型はインダクタのL値とDUTYによって

反転できる電圧、電流範囲が決まる。

FETのON時間が長い方が低い出力電圧を

出すことが可能。

反転型の動作原理③

Q1

I1

C1

10u

L1

D1

V1 V2

1

R1

Vout

SW

FET電流

Di電流


31 反転型の動作原理④



Q1

I1

C1

10u

L1

D1

V1 V2

1

R1

D1-a

node /

V

-17.35

-17.25

-17.15

-17.05

-16.95

Q1-D

/ V

-20

-10

-5

5

I(Q

1-D

) /

A

-14

-10

-6

-2


1.993 1.994 1.995 1.996 1.997 1.998 1.999 2

I(D

1-c

ath

ode)

/ A

-14

-10

-6

-2

D1-a

node /

mV

-220

-180

-140

-100

Q1-D

/ V

-2

0

3

5

I(Q

1-D

) /

A

-4

-2.5

-1

0.5


1.994 1.995 1.996 1.997 1.998 1.999I(D

1-c

ath

ode)

/ A

-4

-2.5

-1

0.5

Vout

SW

FET電流

Di電流

Vout

SW

FET電流

Di電流


32 同期整流型と非同期整流型の違い

非同期（ダイオード）整流同期整流

• S1がON時にはD1に電流は流れない（OFF）

• S1がOFF時にはD1に順方向電流が流れる（ON）

• 実際の回路では、S1はトランジスタとD1はショット

キーダイオードが使われる

• 同期式より効率は劣る

• 回路は比較的簡単

• S1がONの時S2をOFFにする

• S1がOFFの時S2をONにする

• 電流経路は非同期型と同じだが、SのON/OFFは

制御回路が行う

• 実際の回路ではSはトランジスタ

• 高効率だが、低負荷時効率に対する考慮が必要

• 非同期式よりも回路が複雑

D1 S2

VO VIN VIN VO

S1 S1 L1 L1

C1 C1

VIN

VO

L1

D1

S1

C1

VO

L1

C1

S1

S2

VIN



ダイオード導通時間

降圧比が高い場合、D1の導通時間が長い

VOが低い場合、D1のVFによる損失の割合が

大きくなる

降圧比が高い場合にD1のVFが問題軽負荷時の動作

軽負荷時にはインダクタ電流が0Aになる期間あり

非同期式はダイオードにて一方向にしか電流が流れず、不連続動作になり、リンギングを起こす

同期式はトランジスタにて逆流が可能で、連続動作を維持し安定。ただし、効率は低下する

0

IL

(－) 非同期整流同期整流

連続不連続

非同期（ダイオード）整流同期整流

VIN

VO

L1

D1

S1

C1

VO

L1

C1

S1

S2

VIN


34 不連続動作

I

1

R1

V2

Q1

V1

D1

470n

L1

C1

10u

V

5V

入力電圧：5V

出力電圧：1V

発振周波数：1MHｚ

V /

V

-1

0

1

2

3

4

5

Time/uSecs 500nSecs/div

99.5 100 100.5 101 101.5 102

I /

A

-0.2

0.2

0.6

1

1.4

1.8

SW電圧

L電流インダクタ電流が0Aの時に

リンギングが発生


35

同期整流、ダイオード整流

負荷電流が多いとき、DiodeのVf（順方向電圧）によって発生する損失が過大になるため

FET等に置き換えた物を同期整流と言う。

ダイオード整流の損失

＝ Vf x Io x ( 1 – ON Duty )

Vf ：ショットキーDi順方向電圧

ダイオード整流同期整流 Vin

M1

Di 負荷

Id

L Vout SW

Vin

M1

負荷 Id

L Vout SW

例） Vin=5V、Vout=1V 、Iout：2Ａの時の損失例ダイオード整流：Vfが0.5Vの時 →ダイオード損失＝0.5×2×（1-1/5）＝ 0.8W 同期整流： FETのON抵抗が50mΩの時 →FET損失＝2×2×0.05×(1-1/5）＝0.16W

同期整流のON時の損失

= Io2 x Ron x ( 1- ON Duty )

Ron：SWのON抵抗

電流が多いほど

顕著に違いが出る

同期整流型と非同期整流型の使い分け



同期整流の場合同時ONを避けるため

デットタイムの時間を作る必要がある。

C1

10u

V3

5

V1

L1

Q2

Q1

V2

1

R1

Q1-G

/ V

0

2

4

6

8

10

Q2-G

/ V

0

1

2

3

4

5


496.8 497 497.2 497.4 497.6 497.8 498 498.2 498.4 498.6 498.8 499

Q2-D

/ V

-0

1

2

3

4

5


488.5 488.6 488.7 488.8 488.9 489

Q2-D

/ V

-0

1

2

3

4

5

デットタイム



FETには寄生にボディダイオードがあるため、FETがOFFした時、ボディダイオードを通り、電流が流れる

MOS-FETのカタログ

デットタイムが無いとFETが同時ONし

貫通電流が流れる

Q2-D

/ V

-0

1

2

3

4

5


492.5 492.6 492.7 492.8 492.9 493 493.1

I(Q

2-D

) /

A

-10

0

10

20

30

40

50

貫通電流が40A以上流れる

※FETの能力にもよるが

ほぼ破壊に至る。


VO

L1

C1

S1

S2

VIN

不連続モード機能の追加同期式は軽負荷時にも連続モードで動作し、これが軽負荷時の効率低下を招く

対策として、不連続モード機能を制御回路に追加

① インダクタ電流のゼロ付近を検出

② 下のトランジスタをオフにする

③ 電流の逆流を阻止

出力電圧の減衰時間が長くなるので、上側トランジスタのON開始が遅くなりスイッチングの周期が変わるため、スイッチング周波数が変動する

38 同期整流型の軽負荷時効率を改善する機能


ゼロ付近を検出すると

VO

L1

C1

S1

S2

VIN

OFF


PWMモードからPFMモードに切り替え PWM（パルス幅変調）は周波数が一定でデューティサイクルにて調整

軽負荷時にも周波数が一定なので、スイッチング損失が効率を悪化

周波数が一定なのでノイズをフィルタしやすい

PFM（パルス周波数変調）はON（またはOFF）時間を一定にして、OFF（またはON）時間を調整

周波数を落として動作するので、スイッチング損失が減少

周波数が不定なのでフィルタが困難で可聴帯に入る可能性あり

39 同期整流式の軽負荷時効率を改善する機能

周期は一定でON/OFF時間比が変動 ON時間が一定でOFF時間が変動＝周期も変動

PFM

負荷電流

効率 PFM

PWM

PWMとPFMの効率特性のイメージ

PWM


40 同期整流式の軽負荷時効率を改善する機能

PFMモードは発振を間引き、スイッチングロスを減らすことにより効率を上げる。

CH2：インダクタ電流波形 500mA/div

CH1：SW波形 2V/div

負荷を増加すると

PFMモード：負荷：0A PFMモード：負荷：0.2A PWMモード：負荷：0.6A

負荷を増やすと発振の間引く量が減っていき、最後にはPWMモードとなる


電圧モード制御電圧だけの帰還ループなので制御が単純

オン時間を短くできる

ノイズ耐性が高い

位相補償回路が複雑

41 フィードバック制御方式

電流モード制御電圧モード制御を改良したもの

三角波の代わりに、回路のインダクタ電流を検出して使う

帰還ループの安定性が高い

位相補償回路の設計が大幅に簡単になる

負荷過渡応答が電圧モードより高速

電流検出帰還ループのノイズに注意

エラーアンプ

＋

－

三角波

PWM発生器

基準電圧

＋

－ PWM発生器

エラーアンプ


基準電圧


42 フィードバック制御方式

＋

－

基準電圧

コンパレータヒステリシス（リップル）制御コンパレータで出力を直接モニタ

非常に負荷過渡応答速度が速い

帰還ループの安定性が高い

位相補償が不要

スイッチング周波数が変動する

ジッタが大き目

リップル検出のためESRの大きなコンデンサが必要

出力電圧（出力リップル）

ヒステリシス制御のイメージ

スイッチON/OFF

しきい値


降圧DC/DCコンバータの制御方式－電圧モード①

VOUT

REF

HG

IOUT

LG

Z1

Err

Z2

PWM Driver

VIN

VOUT +

FB

FB

HG

LG

delay time

電圧フィードバックループ

VoutとREFを比較

三角波とFBを比較し On dutyを決定

三角波

出力電圧が下がってもFBと三角波が交わるまで応答できない

電圧モード

REF

三角波

43


Z1

Err

Z2

PWM Driver

VIN

VOUT +

FB HG

LG

VoutとREFを比較

電圧モード

REF

三角波

44

三角波とFBを比較し On dutyを決定

特徴：エラーアンプ（オペアンプ）で安定性、応答性を調整

注目点：出力の電圧のみをモニタしているため、出力電圧が変動しない限り

応答することができない

進み補償、遅れ補償を追加する必要があり、設計が大変

負荷変動による応答速度が遅い

降圧DC/DCコンバータの制御方式－電圧モード②


45

電圧モード

遅れ補償

進み補償

降圧DC/DCコンバータの制御方式－電圧モード③


Z：C,Rで調整

OSC

VOUT

REF

FB

IOUT

HG

ISEN

SET signal

PWM R

S

Q

Driver

OSC

FB

REF

ISEN

LG

HG

VIN

VOUT


電流フィードバックループ

Err

OSCで動作周波数固定

FBとISENが公差する点で発振OFF

電流モード

VoutとREFを比較

FBのZ（C,R)で調整

46 降圧DC/DCコンバータの制御方式－電流モード①


Z：C,Rで調整

PWM R

S

Q

Driver

OSC

FB

REF

ISEN

LG

HG

VIN

VOUT


電流フィードバックループ

Err

電流モード

VoutとREFを比較

47

特徴：エラーアンプの出力をC,Rを使って安定させることにより、位相余裕を調整

L電流に比例した電圧（ISEN）とFBを比較し、発振OFFタイミングを調整

注目点：位相補償はC、Rの定数で調整

安定性、応答性のバランスが良い

降圧DC/DCコンバータの制御方式－電流モード②


電圧フィードバック

電流フードバック

48

電流モード

降圧DC/DCコンバータの制御方式－電流モード③


ONタイム制御

VOUT

REF

IOUT

HG

Driver

REF

LG

HG

VIN

VOUT

1shot

Pulse

遅延が少なく、応答が速い

+

-

遅れ要素が無く

負荷変動に対して

高速に応答が可能

出力とREFをコンパレータで比較.

1発、設定時間ONする

発振周波数はON時間で調整

パルス幅は一定

49 降圧DC/DCコンバータの制御方式－ONタイム制御①


ONタイム制御

Driver

REF

LG

HG

VIN

VOUT

1shot

Pulse

遅延が少なく、応答が速い

+

-

出力とREFをコンパレータで比較.

1発、設定時間ONする

50

特徴：動作原理が簡単

負荷変動による応答速度が速い

注目点：位相補償の調整が不要のため、比較的設計が簡単

発振周波数が入出力条件や負荷によって変動

降圧DC/DCコンバータの制御方式－ONタイム制御②


ControlLogic

+DRV

REF

TSD

UVLO

On Time

ILIM

ILIM@PFM

On Time Modulation

0.8xREF

FB

VOSPGD

PGND

SW

PVIN

EN

VOUT

3

7

15

1

6

11

14

1uH

10uF

4

2

16

10

12

AVIN

5AGND

9

13BOOT

SS

8FSW

AVIN

1uF

0.1uF

コンパレータ

51

ONタイム制御

降圧DC/DCコンバータの制御方式－ONタイム制御③


52

ONタイム制御の発振周波数 Ton Toff

入出力条件とTon、Toffの関係は以下のようになる。

Ton ： Toff ＝ Vout ： Vin －Vout

仮に

Vin=5V

Vo=1V

ON時間を200ns固定とした時

発振周波数は

800ns 200ns ：＝ 1 ： 5－1

f＝＝1MHz 1

200n+800n

降圧DC/DCコンバータの制御方式－ONタイム制御④


VOUT Driver

VOUT/VIN

Circuit

Transient

Circuit

VIN

REF

HG

LG

負荷変動が大きい場合に

ON時間を伸ばす

VOUT

REF

HG

IOUT

LG

TON+α TON

変動が多い場合は ON時間を延ばし電圧降下を抑える

H3REGTM

53

通常動作時はONタイム制御と同じ

降圧DC/DCコンバータの制御方式－H3REGTM①


VOUT Driver

VOUT/VIN

Circuit

Transient

Circuit

VIN

REF

HG

LG

負荷変動が大きい場合に

ON時間を伸ばす

H3REGTM

54

通常動作時はONタイム制御と同じ

特徴： ONタイム制御に追加して負荷応答を高めた制御方式

より負荷変動による応答速度が速い

注目点：位相補償の調整が不要のため、比較的設計が簡単

発振周波数が入出力条件や負荷によって変動

降圧DC/DCコンバータの制御方式－H3REGTM②


H3REGTM

コンパレータ

55

H3REGTM

降圧DC/DCコンバータの制御方式－H3REGTM③


56

■制御方式：電圧モード制御、電流（カレント）モード制御、ONタイム制御、H3RegTM制御

出力を安定化するフィードバック制御方式の種類です。方式により以下の特徴がある。

制御方式電圧モード電流モード ONタイム制御 H3RegTM

特徴古くからある

制御方法

電圧モードより

新しい制御方式

で現在の主流

新しい方式で

負荷応答性が良好

ONタイム制御

の改良品

負荷応答性 △ ○ ◎ ◎+

スイッチング周波数一定一定負荷により変動負荷により変動

位相補償回路複雑容易不要不要

出力リップル電圧セラコン対応 or 非対応セラコン対応セラコン対応 or 非対応セラコン対応 or 非対応

マルチフェーズ

並列運転容易容易困難困難

用途セカンダリ電源セカンダリ電源

セカンダリ電源や

CPU, FPGAなど

低電圧＆高速応答

セカンダリ電源や

CPU, FPGAなど

低電圧＆高速応答

H3RegTM : エイチ・キューブ・レグロームオリジナル制御方式の登録商標

制御方式の特徴のまとめ


57

+5%

-5%

公称電圧電圧リップル

電圧レギュレーション - 基準電圧 - ラインレギュレーション - ロードレギュレーション - 帰還抵抗誤差

その他の変動

- 過渡応答

→出力電圧が低電圧になるほど、許容できる電圧精度が厳しい

例）許容できる電圧精度が±5%の場合

Vout=5V → 許容範囲：±250mV

Vout=1V → 許容範囲：±50mV

実機を正常に動作させるためには

→実機の要求仕様を満たすことが必要

ICの仕様で決まる

ICの制御方法と

外付けコンデンサ

などで決まる

電源システムの違いによるIC選定方法 ①

Vout


電源システムの違いによるIC選定方法 ② 58

電源ICの制御方式の違いによる選定方法について

（コスト、面積が不利）

出力コンデンサの容量小

●低電圧で要求仕様を満たそうとした場合

出力コンデンサの容量によって制御方式を選択することが可能

低電圧の場合は高速応答を選択する方が優位性がある

高速応答

H3RegTM ONタイム制御電流制御電圧モード＞＞＞

出力コンデンサの容量大

（コスト、面積が有利）

出力コンデンサ容量

低電圧以外の電圧は要求されるコンデンサの容量が少なくなる傾向があるため

どの制御方式でも選択可能


サーマルシャットダウン ( Thermal Shut Down )

ICのジャンクション温度Tjが最大定格Tjmax±αで動作停止

59 保護機能

低電圧誤動作防止 ( Under Voltage Lock Out )

入力電圧が規定以下に低下した場合に動作停止

出力

0

ジャンクション温度 Tj (℃) Tjmax

- 自動復帰型

- ラッチ型

出力

0

入力電圧 VIN (V) 解除検出

入力電圧範囲


60 保護機能

短絡保護 ( Short Circuit Protection )

出力電圧が規定値よりも低下したときに動作停止

- 自動復帰型

- ラッチ型

過電流保護 ( Over Current Protection )

出力電流が制限値より多く流れたときに電流を制限

VO

FB

上側MOSFETゲート

下側MOSFETゲート

コイル電流

IC内部OCP信号

出力負荷電流 NormalOver

CurrentNormal

OCPスレッショルド

VO

FB



コイル電流

IC内部SCP信号

出力負荷電流 NormalOver

CurrentNormal

SCPスレッショルド

t


61 保護機能

0.8V

SCP スレッショルド電圧：0.4Ｖ(Typ.)

SCP 遅延時間1msec (Typ.)

SCP 解除

LOW

OCPスレッショルド6.0A(Typ.)

VOUT

FB端子



IC内部HICCUPディレイ信号

コイル電流（出力負荷電流）

ソフトスタート1msec (Typ.)

SCPリセット

SCP 遅延時間1msec (Typ.)

LOW

16msec (Typ.)


62 保護機能

過電圧保護 ( Over Voltage Protection )

出力に設定以上の電圧が生じたときに動作停止

負荷

制御回路

比較回路

基準電圧

VO VIN

FB

OVP

VO

FB



IC内部OVP信号

OVPスレッショルド


63 プリバイアス動作

出力に電荷が残っている、もしくは出力からバイアスが漏れている状態で起動した時

ソフトスタート電圧が出力電圧を上回るまでLow-sideFETをONしない動作

0V

Vout

0V

Vout プリバイアス対応プリバイアス非対応

Low-sideFETがONした時に出力の電荷分流れてしまうため

FETが破壊する可能性がある

L OUT

C Vin

IN SW1

SW2

FETがONした時に過大な電流で

破壊する可能性


シャットダウン：ICの制御部の動作をON/OFFする。 Enable端子など。

ソフトスタート：起動時の突入電流を防ぐため、ゆっくり立ち上げを行う。

パワーグッド出力：出力電圧が規定の値に到達した時点でフラグを出す。

他のブロックへ出力電圧が準備完了であることを知らせる。

Enable端子と組み合わせることで立ち上げシーケンスを組める。

64 シーケンス機能

ソフトスタートなしソフトスタートあり

時間時間

電圧電圧

電流電流

マイコン電源1

EN PG

VO1

電源2

EN PG

VO2

電源3

EN PG

VO3

時間

電圧 VO3

VO1

VO2


トラッキング：複数の電源の立ち上がりシーケンスのこと。

電源のトラッキング方式は3種類。

65 シーケンス機能

電圧

時間

マスター

スレーブ

スレーブ

同時トラッキング ( COINCIDENT )

低い電源電圧から順に

電源電圧が印加

電圧

時間

比例トラッキング ( RATIOMETRIC )

各電源が異なるスルーレート

で立ち上がる

電圧

時間

オフセットトラッキング ( OFFSET )

電源間のオフセット電圧を

固定

電源2 EN VO2

シーケンサー

電源3 EN VO3

電源1 EN VO1

電源1 EN VO1

電源2 Trac VO2

電源3 Trac VO3


効率とサイズのトレードオフ

スイッチング周波数を高くすると外付けのインダクタとコンデンサを小さくできる

スイッチング周波数を高くすると効率は下がる：スイッチング損失による

スイッチング周波数を高くするとリップルが小さくなり、ノイズも低下傾向

スイッチング周波数を高くすると過渡応答はよくなる

66 スイッチング周波数の考慮点

スイッチング周波数～数百kHz 1MHz～

部品サイズ大小

効率上がる下がる

ノイズ大きい小さい

リップル大きい小さい

過渡応答遅い速い


67 スイッチング周波数の考慮点

発振周波数：300kHz

非同期整流（ダイオード整流）

発振周波数：1MHz

同期整流














⑤同期整流式の軽負荷時の効率を改善する機能

⑥制御方式 (電圧モード、電流モード、ヒステリシス制御)

⑦保護機能/シーケンス機能


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