昇圧DCDCコンバータの動作原理と設計方法
FETスイッチがオンすると、コイルを介してGND側へ電流が流れます。 スイッチがオンしている間、コイルに流れる電流が増加していき、コイルにエネルギーが蓄えられていきます。 スイッチがオフすると、コイルに蓄えられたエネルギーがダイオードを介して出力側へ流れます。 スイッチング波形は、コイルとFETの間の電圧です。 この回路はDCDCコンバータですので、下記の関係式が成立します。 VIN × IIN × η = VOUT × IOUT （η：効率） IINはコイル電流と一致します。 つまり、スイッチのオン期間を長くして入力電流が増加するほど、高い出力電圧を得られることになります。
昇圧DCDCコンバータICの内部回路
昇圧DCDCコンバータICの内部は、下図のような構成になっています。 おおまかな構成ブロックとしては、- エラーアンプ
- 電流センス回路
- スロープ補償回路
- PWMコンパレータ
- 周波数生成回路（最小オン/オフ時間制御）
- PWM制御回路
- ゲートドライバ
動作原理と動作波形
昇圧電源の設計方法
１．入力電流の計算よって、 I IN =1.5A となります。
２．リップル電流の計算t on はFETのオン時間です。
t on を求めるために、まずはDUTYを計算します。 昇圧回路のDUTYは以下の計算式で与えられます。
したがって、t on は以下の式で計算できます。
D = 56.52%、t on = 1.13us
となり、インダクタンス=10uHとすると、リップル電流は 565mA と求めることができます。
３．コイルの選定コイルのピーク電流は、 500mA + 565mA / 2 = 782.5mA となります。 コイルの直流重畳特性を確認し、ピーク電流までインダクタンスの低下が小さいものを選びます（ピーク電流値でL値-20%以内が目安）
４．回生ダイオードの選定- 平均順方向電流：I F(AV)
- ピーク繰返し逆電圧：V RM
- 逆方向漏れ電流：I R
I F(AV) は許容される順方向電流の最大値です。 電流値と素子の温度の関係が示されています。
５．MOSFETの選定MOSFETのDS間にかかる最大電圧は VOUT + VF になります。 ただし、車載製品などでバッテリの変動が大きい場合、VINがVOUTを超える場合があります。
オン抵抗は必要以上に小さいものを選ばないこと。 オン抵抗が小さいほど素子サイズが大きくなり、ゲート容量が大きくなります。 ゲート容量が大きいと、ゲートドライブが遅くなりスイッチングが鈍ることでスイッチング損失が増大してしまいます。
６．出力コンデンサの選定FETがオフの時、コンデンサに充電される電流は、 I IN – I OUT となります。 この電流とESRで発生する電圧差と、コンデンサ容量が充電される電圧の合計がリップル電圧となりますので、計算式は、
となります。 I IN_ave は入力電流（コイル電流）の平均値です。
ノイズ除去の方法
スパイクノイズを抑えるためには、できるだけ寄生容量の小さいショットキーダイオードを選ぶ必要があります。 また、同期整流の場合はボディダイオードの逆回復時間が大きく、非同期整流よりもスパイクノイズが大きくなることがあります。 その場合、回生側のFETと並列にショットキーダイオードを挿入することで、スパイクノイズを抑えることができます。
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