スイッチング周波数に関して考慮すべきこと

スイッチモード電源は、固定、調整可能、または外部クロックに同期した周波数のスイッチです。 スイッチング周波数の値によって物理的なサイズが決まり、それに応じて電源のコンデンサとインダクタのコストが決まります。 コンパクトで低コストの回路の設計を可能にするために、より高いスイッチング周波数に向かう傾向があります。 スイッチングレギュレータICに組み込まれている発振器は、通常、データシートで非常に広い周波数範囲に指定されています。 たとえば、モノリシックADP2386バックコンバータICは、設定されたスイッチング周波数の±10％の保証があります。 その他の一般的なスイッチングレギュレータICは、±20％以上に指定されています。 RTを2386kHzのスイッチング周波数に設定したADP600は、ADP540のスイッチング周波数の±660％の成分変動を考えると、極端な場合には10kHzおよび2386kHzでスイッチングできます。 図1.スイッチング周波数が抵抗RTで設定されたADP2386降圧コンバータ。 インダクタ両端のピーク電流は実際のスイッチング周波数によって異なるため、回路を設計する際には、この合計20％のスイッチング周波数の変動を考慮する必要があります。 結果として、インダクタ電流リップルは出力電圧リップルに直接影響します。 図2は、インダクタ電流リップルに対するスイッチング周波数の影響を示しています。 600kHzの公称スイッチング周波数は青で示されています。 最小（540 kHz）スイッチング周波数は紫色で、最大（660 kHz）は緑色で示されています。 600 kHzの公称設定では、レギュレータが1.27 kHzで切り替わるときに、540Aのピークツーピーク電流リップルが見られます。 ただし、600 kHzの同じ周波数設定では、スイッチングレギュレータも660 kHzでスイッチングできます。これは、1.05 Aの電流リップルに対応します。この例では、次の変動により、220mAのコイル電流リップル差が生じる可能性があります。回路内のコンポーネントからコンポーネントへのスイッチング周波数。 これは、許容温度範囲全体にわたっています。 図2.スイッチング周波数の変動の影響を受けたコイル電流リップルのピークツーピーク。 スイッチングレギュレータの電流制限の設定は、この効果と調整する必要があります。 ピーク電流は、通常の動作中に既存の過電流保護がアクティブにならないように十分に低くする必要があります。 この例では、インダクタとコンデンサの値の変動など、発生する可能性のある他のすべての変動は考慮されていないことに注意してください。 出力電圧リップルの場合、対応する電流リップルの変化により、図3に示す値が得られます。回路は、4.41kHzのスイッチング周波数で600mVの電圧リップルが発生するように設計されています。 540 kHzのスイッチング周波数の場合、電圧リップルは5.45mVです。 660 kHzでは、3.66mVの電圧リップルが見られます。 図3.スイッチモードレギュレータICのスイッチング周波数変動による出力電圧リップルの変化。 この例では、考慮されるコンポーネントの変動は、許容温度範囲でのスイッチング周波数の変動のみです。 実際には、インダクタとコンデンサの実際の値の変動など、他の多くの変数があります。 これらは、動作温度の影響も受けます。 ただし、ほとんどの場合、スイッチング周波数の実際の変動は制限値の±10％に達しないと想定することもできます。 通常、動作は指定された範囲の中央の標準値付近に表示されます。 電源装置のすべての動的変数を体系的に検討するために、モンテカルロ分析が答えを提供します。 ここでは、さまざまなコンポーネントと変数パラメータのバリエーションが、発生確率に応じて重み付けされ、相互にリンクされています。 モンテカルロ分析は、AnalogDevicesから無料で入手できるLTspice®シミュレーションソフトウェアを使用して実行できます。 LTspiceシミュレーションでパラメーターを変更する方法の詳細については、GabinoAlonsoとJosephSpencerによる記事「最小限のシミュレーション実行による最悪の場合の回路解析」を参照してください。

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