電源ICとは？ 基本知識／種類や役割についても解説：知っておきたい電源IC（2/4 ページ）

[リョーサン菱洋]

　DC-DCコンバーター（降圧動作）

　入力電圧（Vin）に対しSW1とSW2を制御し、ONとOFFを交互に切り替えてパルス波形を作ります。その波形をコイルとコンデンサーで構成したフィルター（ローパスフィルター）で平滑化、つまり平らにならすことで出力側に一定した電圧を作り出す仕組みとなっています。

平滑化のイメージ

　出力電圧はSW1がONしている時間の電力を平滑化しますので、SW1がONする時間、比率が高い程高くなり、比率が低いと低くなるというように、ON／OFFの比率で決まります。つまり全体の時間のうち、どれだけONしているかデューティー比をコントロールすることで、電圧を調整しています。これを示した式が下記になります。

　今までの説明から、SW1がOFFの間はどこから電流が流れるのか疑問ではありませんか？　入力側から、電圧と電流を供給している期間は、SW1がON時のみです。OFF時はどこから電圧と電流が供給されるのでしょうか？

　このとき、電流供給のルートを作る役目を担っているのがコイルとSW2です。コイルには電力、エネルギーの「蓄積と放出」というDC-DCスイッチングレギュレーターにとって大変に重要な役割があります。

DC-DCコンバーター（降圧動作）の動作イメージ

　これらの動作は電源ICによって制御されています。もちろん、実際の回路ではさらに複雑な制御や補助回路が必要ですが基本的な原理はこのようになっており、DC-DCコンバーターはコイルを使って電力を変換する回路といえます。下記の1〜2を繰り返して降圧動作を実施しています。

　　1.SW1をON、SW2をOFFにするとVinからコイルを経由して、出力側に接続されて
　　　いる負荷に電流が供給されます。この時コイルに流れた電流を磁気エネルギーと
　　　して蓄積します。
　　2.SW1をOFF、SW2をONにするとコイルは電流を流し続けようとして、蓄積した
　　　エネルギーを電流として出力側に放出します。この電流によって、SW1がOFF時
　　　にも出力側に電流が供給されます。

　※SW2はこの時の電流のループを作る役割があり、SW1とSW2のタイミングが適切ではなかった場合、回路の効率が悪くなったり、電源とGND間に過剰な電流が流れたりと問題が発生します。

　降圧では、まずONとOFFの比率、つまりデューティー比を決めて平滑化することにより電圧を作ります。仮に変換の効率を100％とすると、入力の電力は、電圧が下がった分、電流を多く取れることになりますので、電力の変換を行っているとイメージしてください。

入力電圧の平滑化イメージ（降圧動作）