DC-DCコンバーターの効率と2種類のPWM制御モード：DC-DCコンバーター活用講座（8） 電力安定化（8）（3/3 ページ）

[Steve Roberts（RECOM），EDN Japan]

電流モードレギュレーション

　電流モードのスイッチングレギュレーターには、2つの制御ループが存在します。スイッチおよび誘導性保存素子の電流レギュレーションを行う内部ループと、従来通り内部レファレンス電圧を基準に出力電圧レギュレーションを行う外部ループです。制御回路は異なる速度で動作しますが、この点は極めて重要です。電流制御ループはパルスごとに反応し、電圧制御ループははるかに低速ですが、時間軸に対して安定した出力電圧を生成します。

図2：電流モードPWMコントローラーのブロック図 出典：RECOM（クリックで拡大）

　最初に、図2のブロック図から考えてみましょう。スイッチング制御素子はRSフリップフロップで、これは各クロック周期の開始時にセットされます。出力は、メインパワースイッチをオンにして、出力電流のランプアップを開始させるために使われます。フリップフロップのリセット入力は、PWMコンパレーターA2によって制御されます。この反転入力には電圧制御アンプA1の出力が使われ、非反転入力には電圧V_Sが使われます。V_Sは、シャント抵抗R_Sの両端で測定したスイッチ電流値に比例します。エラーアンプ電圧V_FがV_Sを超えると、コンパレーターがフリップフロップをリセットします。周期の残りの部分では、主発振器がもう一度セットされるまで、フリップフロップによってその他の不適切なトグル操作が排除されます。

　この構成には、2つの重要なポイントがあります。

　1つ目は、入力電圧の変化は充電電流の立ち上り速度と持続時間にしか影響しないので、誘導性保存素子は入力電圧に関わらず常に同じエネルギーレベルで完全充電状態になります。コンバーターは入力電圧には影響されず、電圧制御ループが介在する必要はありません。したがって、このコンバーターは入力電圧変化をパルスごとに安定化します。

　2つ目は、V_OUT帰還電圧はレファレンス電圧とバランスしなくなるので、負荷が変化すると外部制御ループが反応します。例えば、負荷が突然増大すると出力電圧が低下し、これによってV_Fが増加して充電時間が延長されます。初期段階では、内部制御ループは出力電圧が増加して必要な安定化電圧値に戻り、V_Fが低下してV_Sがレギュレーションの制御を再び引き継ぐまで、レギュレーションを行ないません。

　電流モードレギュレーションは電圧モードレギュレーションより高速で、ほとんどの設計に適しています。このモードでは、負荷または入力電圧の変化への応答が1発振周期以内に開始されますが、安定した動作状態の間も厳密にレギュレーションされた出力電圧の供給を続けるという一対の利点を備えています。

　電流モードレギュレーションの欠点の1つは、追加された検出抵抗よって効率が低下することです。この効率低下を最小限に抑えるために、抵抗はできるだけ小さい値とする必要がありますが、一方で抵抗両端の電圧差を十分な値としてPWMコンパレーターがクリーンにスイッチングを行えるようにするために、ある程度大きな値にする必要もあります。したがって、電流モードPWMコンパレーターにはより高い品質が求められ、電圧モードのPWMコンパレーターより入力オフセットドリフトが小さく、より良好な熱安定性を備えている必要があります。

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執筆者プロフィール

Steve Roberts

英国生まれ。ロンドンのブルネル大学（現在はウエスト・ロンドン大学）で物理・電子工学の学士（理学）号を取得後、University College Hospitalに勤務。その後、科学博物館で12年間インタラクティブ部門担当主任として勤務する間に、University College Londonで修士（理学）号を取得。オーストリアに渡って、RECOMのテクニカル・サポート・チームに加わり、カスタム・コンバーターの開発とお客様対応を担当。その後、オーストリア、グムンデンの新本社で、RECOM Groupのテクニカル・ディレクタに就任。

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※本連載は、RECOMが発行した「DC/DC知識の本　ユーザーのための実用的ヒント」（2014年）を転載しています。