ステップダウン形DC/DCコンバーターの設計（5）：たった2つの式で始めるDC/DCコンバーターの設計（7）（2/4 ページ）

今回はDC/DCコンバーターを設計する上で欠かせない「過電流保護回路」について説明します。

[加藤博二（Sifoen），EDN Japan]

過電流保護回路の課題−1

制限電流値の伸び

　現在、市販されているDC/DCコンバーター用制御ICの過電流保護回路は出力パルスごとに過電流のレベルを検出し、出力パルスを制限しています。この方式をパルス・バイ・パルス（Pulse By Pulse）方式と言います。
　一見、問題なく動作するように思えますが実際にDC/DCコンバーターの過電流保護回路を動作させると図2に示すように短絡モードの進行に従って制限しているはずの電流値が増加し、完全短絡時では設定値の数倍の短絡電流が流れ、ダイオードが異常に発熱するケースがあります。

図2：電圧−電流特性

　この現象は回路の設計ミスなどではなく、制御ICの動作が理想的でないことに起因します。説明のために図3に制御ICの保護動作のシーケンスを簡単に示します。

1. 発振器からの三角波と誤差信号を比較しPWM出力を生成します。
2. 過電流検出回路はPWMパルスの立ち上がりで過電流保護回路を解除（セット）します。
3. 電流レベルが検知しきい値を超えると過電流保護回路を動作（リセット）させ出力パルスを停止します。
4. 次の発振サイクルに移行して過電流保護回路のセット、リセットを繰り返して負荷電流を一定値に制限します。

図3：過電流保護回路のシーケンス［クリックで拡大］

　これらは理想的な動作の場合ですが実際のICには過電流保護回路のセット、リセット期間、そして電流検出回路のノイズフィルターの遅れ時間が存在します。このため、図3に示すようにどうしても過電流保護回路が動作しない応答遅れ（不感）時間ができてしまいます。

　この不感時間をton_(MIN)とすると、この期間は電源Vからチョークへ電流が流れてしまいます。
　この電流の増加分ΔI_(MIN)は

で計算できます。
（V：電源電圧、V_F：ダイオードの順方向効果電圧、L：チョークインダクタンス値）

　一方、オフ期間中のチョークの電流減少分ΔI_(MIN)は

ですから両者の電流がバランスするのは

の時です。この関係式からton_(MIN)を求めると

となり、実際の最少オンパルスが1式のton_(MIN)より長いと過電流が一定値に安定せず、図4に示すように1式が成立するまでV_Fは増加します。

　このV_Fの増加はダイオードの順方向電流（I_F）の増加の裏返しですから結果として出力電圧の低下に従って短絡電流が増加する図2の特性になります。

　注目すべき点は定格設定電圧Voutが1式に現れないことです。ですからVFの低いSBD^＊を使う場合や同期整流回路ではより高速な回路応答が求められます。
　例えば入力24±4V時､SBD（V_F＝0.5）を使用した場合、
　　100KHz動作→0.17μs
　　200kHz動作→89ns
　　1MHz動作→18ns

となり、応答遅れ時間を100nsとすれば200kHz近辺が限界周波数になってしまいます。さらに近年主流の同期整流方式ではV_F＝0.1V程度ですから条件的にはさらに厳しくなります。

＊SBD：ショットキーバリアダイオード