DC-DCコンバーターの出力フィルタリング：DC-DCコンバーター活用講座（24） 入力および出力フィルタリング（2）（2/2 ページ）

今回は、DC-DCコンバーターの出力フィルタリングを解説します。

[Steve Roberts（RECOM），ITmedia]

同相出力フィルタリング

　既に述べたように、出力干渉は対称成分と非対称成分の両方からなります。リップルは主に差動干渉であり、ノイズは主に同相干渉です。対称ノイズは全ての出力に同時に出現するので出力コンデンサーでこれを捉えることはできず、LCフィルタリングを追加しても干渉は減りません。同相ノイズは、負荷が完全に対象で直線性を備え、なおかつ絶縁されている場合には、問題となることはありません。しかし、負荷の挙動やグランドへの電流経路に少しでも非直線性が含まれていると、同相ノイズが変換されて差動干渉が発生するので、やはり同相ノイズにも対策を講じる必要があります。同相干渉を減らす方法は2つあります。低インピーダンスの経路を介してノイズを「短絡」させるか、同相チョークを使用する方法です。

　ほとんどの同相出力ノイズは入力側のスイッチングスパイクによって発生し、トランスの結合容量を介して出力に現れます（図5）。この干渉を減らすには、入力側へ戻す経路を設ける必要があります。出力はガルバニック絶縁されているので、戻り経路を設ける場合は、ノイズ周波数でのインピーダンスを低く抑えるために選ばれた外付けコンデンサーを経由する必要があります。

図5：絶縁型DC-DCコンバーターの同相ノイズコンデンサー（クリックで拡大） 出典：RECOM

　数MHzのスイッチングスパイク周波数に対するインピーダンスを低く抑えるために、同相コンデンサーは通常1n〜2nFの範囲のものが使われます。これらのコンデンサーは絶縁バリア越しに取り付けられるので、耐電圧試験の電圧に合った定格のものを選ぶ必要があります。

同相チョーク

　アプリケーションの中には、絶縁バリア越しに同相コンデンサーを組み込むのが望ましくないものもあります。例えば、医療用機器には厳密な漏れ電流の規定があって、高周波用の絶縁バリア越しに低インピーダンス経路を設けると、この規定を超えてしまう恐れがあります。このようなアプリケーションでは同相チョークを使用する必要があります。同相チョークの特長は、逆方向に巻かれた2つの巻線を備えていることです（図6）。

図6：同相チョークの原理 出典：RECOM

　この逆方向巻線によって、同相電流I_Sは、同方向に流れている場合であってもコア内に正味磁束を発生させます。従って、コアのインピーダンスが同相電流を効果的に減衰させます。順方向と戻り方向の差動電流I_Nは、正味磁束を発生させないので減衰されません。大量の差動電流が流れる場合でもコアは飽和せず、高透磁率のインダクターを使用して、インダクターを流れる差動電流による過熱のリスクなしで同相ノイズを除去することができるので、これは利点となります。

　DC-DCコンバーターに同相出力チョークを使用した場合の例を図7に示します。一方の巻線はV_OUT＋出力と直列に接続され、もう一方の巻線はV_OUT−の戻りラインと直列に接続されています。同相チョークは、高透磁率のコア材料により、広い周波数範囲にわたって同相ノイズを減衰します。これは、メインスイッチング周波数とその高調波をフィルターで除去する上で重要です。

図7：DC-DC出力フィルターとしての同相チョーク（クリックで拡大） 出典：RECOM

　同相チョークを使用した同相除去の原理は、バイポーラ出力コンバーターに拡張できます。同相ノイズは3本の出力ピン全てに同時に現れるので、巻線が2本の標準的な同相チョークで除去するのは非常に困難です。その解決策は、3本の巻線を備えた同相チョークを使用することです。トリプル同相チョークの二次的な効果は、コンデンサーを2個追加することによって、差動ノイズの除去にも使用できることです。

図8：巻線が3本の同相チョーク 出典：RECOM

　3本の巻線はそれぞれ別々にコアに巻き付けられており、巻線間にある程度の漏れインダクタンスL_Sが生じるように分離されています。コア材料を選択する時は、巻き数を少なくして導線の抵抗を低く抑えることができるように、透磁率の高いものを選ぶことが重要です。インダクタンスの計算には以下の関係が適用されます。

式4：巻線インダクタンスの計算

　インダクタンス係数A_Lは巻数1回あたりのインダクタンス（nH/N²）で、これはコア材料やインダクターの形状によって異なります。通常、巻線間の漏れインダクタンスL_Sは巻線インダクタンスL_Cの約3％であり、コンデンサーを2個追加することにより高周波差動干渉を除去するために使用できます。

図9：組み合わせDC-DC出力フィルターとしての同相チョーク 出典：RECOM

　コンデンサーC₁〜C₃は、同相ノイズをグランドへ逃がす低インピーダンス経路を提供します。1n〜10nF程度の高電圧ディスクセラミックコンデンサーが適していますが、絶縁テスト電圧が低い場合はMLCCコンデンサーを使用することもできます。DC-DCコンバーターの内部構造によっては、C₁とC₃を省くことができます。コンデンサーC₄とC₅は、L₁/L₂巻線とL₂/L₃巻線間の漏れインダクタンスとの組み合わせで、ローパス差動フィルターを構成します。通常、コンデンサーC₄とC₅には1μFより大きいものを使いますが、これらにはMLCCを推奨します。巻線間の漏れ容量を経由してチョークを通過する全ての同相ノイズは、もう1つの同相コンデンサーセットC₆〜C₈によってグラウンドへ逃がすことができます。通常、チョークの巻線インダクタンスは数百マイクロヘンリーなので、差動フィルター計算時の漏れインダクタンスは5〜10μHが標準です。

　以下の計算式を使用できます。

式5：トリプル同相チョークの性能計算

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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。