パルススキッピングモードの長所/短所とその回避法：自動車用スイッチング電源設計（4/5 ページ）

[Frank Dehmelt，Application Engineer, Mixed Signal Automotive at Texas Instruments]

具体例3）最小オン時間という物理的制約に対応するパルススキッピング

　今日、スイッチモード電源は、通常、数10n秒から数100n秒までの最小オン時間を備えています。これは、ゲートチャージ時間、ブランキング時間、その他から成ります。

　通常の自動車の環境では、バッテリー電圧は12〜14Vですが、ロード・ダンプ時には、容易に2倍になるでしょう。出力電圧は、アプリケーションや要求仕様によって定義され、多くは1.2〜5Vの範囲にわたります。

　図4は、先にも挙げた降圧型DC-DCコンバータ制御IC（TPS43340-Q1）の出力電圧（AC/CH1：黄色の波形）、これに対応するスイッチ・ノード電圧（CH2：赤色の波形）を示します。CH4（緑色の波形）は、インダクタ電流です。

【図4】スイッチモード電源「TPS43340-Q1」の出力電圧（AC、CH1/黄色）とこれに対応するスイッチ・ノード電圧（CH2/赤色）を示したグラフ。CH4（緑色）は、インダクタ電流を示している。/条件：600kHz,VIN=40V,Vout=1.2V,Iout=500mA （クリックで拡大）

　40Vが供給され、最大のスイッチング周波数に設定され、それは600KHzで500mAの負荷電流を駆動しています。測定は、同IC標準の評価モジュール（TPS43340EVM）で得たものですが、出力電圧は1.2Vの場合です^＊）。

＊）600KHzのスイッチング周波数および最小オン時間約100n秒で、SMPSデバイスは高い出力電圧時には、パルススキッピングには遷移しません。

　1つのパルスがスキップされる前に、Phase-Nodeには大抵、2つか、3つの連続パルスが現れます。

　出力電圧はやや頻繁なパルスのため、ほとんど変化しません。しかし、負荷条件が違えば、変動は増加するでしょう。

　40Vは通常の使用事例でありませんが、より高いスイッチング周波数あるいは十分低い出力電圧をサポートできるような製品を使うと、公称条件においてパルススキップが懸念される場合があります。

　例えば、降圧レギュレータで2.5MHzのスイッチング周波数をサポートするデバイス（TPS65320-Q1）があります。もしそれを使って、14Vの入力電圧からの1.2Vを生成するならば、最小オン時間が100n秒（代表値）で、パルススキッピングを避けるための最大周波数は、2.4MHz程度にならなければなりません。最小オン時間の上限や入力電圧の上限（例えば、ロード・ダンプ時）のマージンを考慮しなくてはならず、それはさらに下げられなければなりません。

　通常状態で、バーストモードを避ける最大許容スイッチング周波数は、以下の通りに計算されます。

　実際の設計では、損失を考慮して、条件はより緩めであるが、さらにスイッチング周波数の低減は必要になります。加えて、マージンと潜在的に高い入力電圧を計算に入れてください。

　しかし、場合によっては、3.3V出力は、直接バッテリーから駆動される必要はなく、例えば、電源として使うことができる5V出力があるので、デューティーサイクルは66％で、オン時間が2倍以上になるようにして、それ以外は同じ条件で作り出すことができます。いくつかの複数の電源を持つ製品、例えば前述のデバイス（TPS43340-Q1）のような製品は、電源のカスケード接続ができ、例えば5Vを生成するのにBUCK1が使われ、3.3V系を駆動したり、1.2Vの出力を生成するBUCK2を駆動したりするためにこの5V電源を使います。

　ここでは、40Vの電源があり、5V出力電源を作り出すとします。この比率だと600KHzでもパルススキッピングは起きないでしょう。この5V出力は、2段目のステップ・ダウン・レギュレータの供給電源に使われ、1.2Vを生成します。図5、図6を参照してください。

【図5】電源のカスケード接続

1.2V電源出力（VIN2）のためにVINとして5Vを使えるので、パルス・スキッピングを防げます。CH1（黄色）=Vout、CH2（赤色）=PhaseNode、CH4（緑）=Inductor-current/条件：600kHz,VIN=40V,VIN2=5V,Vout=1.2V,Iout=500mA （クリックで拡大）