第8回　DC/DCコンバータってなに？（その４）

皆さんこんにちは、日清紡マイクロデバイスの講師Sです。さて今回はDC/DCコンバータの整流方式である、同期整流方式と非同期（ダイオード）整流方式についてそれぞれの特徴を比較して説明します。また DC/DCコンバータの損失要因について、効率を低下させる損失要因がありますので簡単に紹介しておきたいと思います。
 

DC/DCコンバータの整流方式

前回までの説明では2つのスイッチ（以降、SWと表記します）、すなわち

① コイルにエネルギーを蓄積するために入力電圧とコイル間を接続するSW S1

② コイルに蓄積されたエネルギーを放出するためのSW S2

この２つの SW を交互に切換えて負荷が必要とする電圧を生成する方式を説明してきました。これは同期整流方式と呼ばれる現在主流の整流方式です。一方、②のコイルがエネルギーを放出する期間にONする整流用SW S2のかわりにダイオードを使う従来から使われている方式があり、これをダイオード整流、あるいは非同期整流方式といいます。
ここでは、PWM制御の降圧DC/DCコンバータを例にして同期整流と非同期整流（ダイオード整流）について説明したいと思います。
 
●同期整流と非同期（ダイオード）整流方式の降圧DC/DCコンバータの比較

図１に非同期（ダイオード）整流方式の降圧DC/DCコンバータ構成を、これまで説明してきた同期整流方式と比較して示しています。

同期整流、非同期整流ともに Ton 期間に ON するハイサイドのSW S1 は同じ構成です。
同期整流では Ton 期間が終了してハイサイドSW S1 が OFF すると同時にローサイドSW の S2 が ON するように制御されます。コイルは電流を流し続けようとするので、コイル電流はローサイドSW を介して GND側から供給されます。
一方非同期（ダイオード）整流では、ハイサイド SW が ON している期間 Lx電位が Vinレベルになりダイオードには逆方向の電圧が印加されるためダイオードは非導通になります。ハイサイド SW が OFF してもコイルは電流を流し続けることにより、図１の Lx端子の電荷を出力に向かって放電し続けることになります。このため、Lx電位の急峻な低下によって GND電位より低くなるため、ダイオードは順方向の電流が流れ始めコイルには GND から電流が供給されることになります。
ここではダイオードは順方向電圧Vf が 0V の理想的なダイオードを想定しています。
 
●軽負荷時の動作比較

図２-(1)、(2) に示すように負荷電流が重負荷からコイル電流リップルの1/2の範囲の場合には、同期整流方式もダイオード（非同期）整流方式も動作は同等です。しかし負荷電流の大きさがリップル電流の 1/2 を下回ると動作が異なってきます。

同期整流では図２-(3) に示すように負荷電流がリップル電流を下回ってもTon、Toff の時比率を保ったまま動作状態が変わることはありません。そのため、負荷電流がリップル電流の半分を下回るとコイル電流がマイナスになります。すなわち Vout から GND に向かう電流が増加し続け、コイルにはこの逆流電流によるエネルギーが蓄積されることになります。ローサイド SW が OFF してハイサイド SW が ON してもコイルは逆流電流を流し続けようとするので、Vout から GND に流れる電流によって蓄積されたエネルギーがゼロになるまで Vout からコイルを介して Vin に電流が逆流します。その様子を示したのが図３です。
図３に示すような負荷電流がゼロの場合を考えます。このとき Vin と GND から供給された電流はすべて出力コンデンサーCout に蓄積されたあと、同じ電流量がそのまま Cout から GND、Vin に逆流します。すなわち、Vin から供給された電流は Vin にすべて還流されますので理想的な回路ではコイル電流が逆流してもエネルギーの損失はないということを示しています。
 

同期整流では逆流を許容することで負荷電流の全領域にわたって電流連続動作しますので、出力電圧 Vout は

Vout　=　Vin×Ton / ( Ton + Toff )

が成り立ちます。

一方、ダイオード整流では図２-(4) に示すようにダイオードによってコイル電流の逆流はできないので、ハイサイド SW S1 もダイオードも OFF となり電流がゼロになる期間が存在します。これを電流不連続モードといいます。電流不連続モードでは時比率制御ができなくなります。

 
 
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●現実の同期整流とダイオード（非同期）整流の効率比較

ここまでは理想的な SW、理想的なダイオードを前提に説明してきましたので、いずれも効率は 100% ですが、ここから、現実の SW、現実のダイオードに即して同期整流とダイオード整流の効率の比較をしたいと思います。

図４の(1)に示すように、SW には一般的に MOSトランジスタを使用します。DC/DCコンバータに使用される MOSトランジスタの導通状態の抵抗成分である ON抵抗は通常は数十mΩ です。（MOSトランジスタのサイズを大きくすれば ON抵抗は小さくすることは可能です。）
一方、図４の(2)に示すように、整流ダイオードには順方向電圧 Vf が一番小さいショットキーバリアダイオードを使用します。ショットキーバリアダイオードの Vf電圧は 0.3V～0.5V でこれ以下に下げることはできません。なお、ショットキーバリアダイオードは金属と半導体の接合です。これを通常の半導体プロセスでは作りこむことができないので、単体部品として外付けすると部品コストのアップになります。

同期整流のローサイドSW S2 の ON抵抗を50mΩ、非同期整流のダイオード D1 の Vf を 0.5V としてそれぞれの損失を負荷電流１Aの場合で計算して比較してみます。
Ton時は同期整流、非同期整流は同等ですので Toff時の損失を比較します。
【Toff時の損失比較】

・同期整流の場合

50mΩ の ON抵抗に１Aの電流が流れますので、SWで消費される電力W は

W ＝ I² × R

で計算されます。
したがって Toff期間の損失W は

W = 50 mW

です。

・非同期（ダイオード）整流の場合

ダイオードで消費される電力W は

W = I × Vf

で計算されます。
ダイオードの Vf が 0.5V、流れる電流が１Aですので Toff期間の損失W は

W = 500 mW

です。

この例では非同期（ダイオード）整流では同期整流にくらべて１桁 Toff期間の損失が大きくなっています。
非同期（ダイオード）整流方式ではコイルにエネルギーを蓄積するための SW S1 を制御するだけでよいので DC/DCコンバータ制御回路の設計が容易という長所があり広く使われてきました。しかし、CPUなどのLSIの微細化、大規模化に伴う低電圧化にしたがい、DC/DCコンバータが供給する電圧は低電圧化してきており、DC/DCコンバータへの入力電圧が一定とした場合には Toff期間が長くなります。すなわち出力電流が整流ダイオードを流れる期間が長くなりますので、先に示した計算のように整流ダイオードの Vf電圧による損失が無視できなくなってきました。このことから同期整流方式のDC/DCコンバータが主流になっています。
 
●逆流防止機能の追加による同期整流方式の軽負荷時の効率改善

同期整流方式では負荷電流がリップル電流の半分を下回るとコイル電流が逆流しますが、この逆流電流がハイサイド/ローサイドの MOSトランジスタSW の抵抗成分を流れることによって損失が発生します。これが軽負荷時に同期整流方式の効率を低下させる要因の一つです。この損失をなくすために電流の逆流を検出してローサイド側のMOSトランジスタを OFF する機能を追加したのが逆流防止機能付きのDC/DCコンバータです。
ローサイド側の電流を逆流防止すれば逆流電流によるコイルエネルギーの蓄積が起こりませんので、蓄積されたエネルギーを放出するためのハイサイド側への逆流電流も発生しないことになります。逆流を防止するために OFF制御が必要なのはローサイド側の SW のみで良いことになります。
逆流防止機能を追加することで同期整流方式の DC/DCコンバータの軽負荷時の動作はダイオード整流方式のDC/DCコンバータと同等になります。
 
※逆流防止機能の有無とPWM制御

同期整流 PWM制御方式のDC/DCコンバータでも逆流防止機能の有無で動作が異なるため一般的には逆流防止機能付きでダイオード整流と同様の動作をする場合を「通常 PWM 方式」、逆流防止機能なしの同期整流動作を「強制 PWM 方式」として区別しています。

 
●逆流防止による電流不連続に伴って発生する高周波ノイズ

逆流防止機能を有していない同期整流DC/DCコンバータでは軽負荷時に負荷電流が「コイルリップル電流の平均値 = リップル電流/2」を下回るとコイル電流が逆流するものの、コイル電流は途切れることなく重負荷時と同様に出力電圧が時比率で決まる PWM動作を維持することができます。このときコイル電流は途切れることなく連続していますので、この場合の動作を電流連続モードと呼びます。このときのLxノードとコイル電流の動作波形のイメージを示したのが図５の (1) の図です。

一方逆流防止機能が働く場合にはコイル電流が逆流しようとする瞬間にローサイド SW が OFF されてコイル電流ゼロが続きますので、このときの動作を電流不連続モードと呼びます。 Lxノードの電流供給経路が遮断されたときにコイルに残留しているエネルギーと寄生容量によって図５の(2)に示すように Lxノードに LC発振（リンギング）が起き、これによって高周波ノイズが発生します。

DC/DCコンバータの損失

同期整流と非同期（ダイオード）整流の比較のために損失について少し触れましたので、DC/DCコンバータにおける損失の要因について簡単に説明しておきたいと思います。
理想的なDC/DCコンバータの効率は 100% ですが、現実のDC/DCコンバータでは効率を低下させる複数の損失要因があります。損失を大まかに分類すると、回路の抵抗成分に負荷電流：Iout が流れることによる DC損失とDC/DCコンバータがスイッチング動作することによる AC損失があります。
ここでは同期整流の降圧DC/DCコンバータにおける損失要因の主なものだけ取り上げます。これまでDC/DCコンバータを単純な SW だけで表してきましたが、損失の要因を示すために現実の回路要素を表したのが図６－１です。ハイサイドの SW を Pch_MOSトランジスタ、ローサイドの SW を Nch_MOSトランジスタに置き換えてSW制御回路を追加しています。
 

 
（１）ＤＣ損失

負荷電流 Iout が Ton、Toff期間に SW の抵抗成分やコイルの直流抵抗成分を流れることによって生じる損失と制御回路が消費する電力損失が該当します。図６－２に主な DC損失の要因を図示しています。

 
① Pch/Nch MOS_SW の ON 抵抗による損失

SW としての MOSトランジスタの ON抵抗（導通時の抵抗成分）は数十mΩ です。Ton期間には Pch_MOS_SW の ON抵抗 Ron_p と Iout によって、また Toff期間には Nch_MOS_SW の ON抵抗と Iout によって損失が発生します。PWM動作の周期を T とすると Ton期間、Toff期間の損失は以下の式で表されます。

Pon　=　Ron_p × Iout² × Ton / T
Poff　=　Ron_n × Iout² × Toff / T
 
② コイルの直列抵抗成分：DCR による損失

連続モードの PWM動作ではコイルの直列抵抗成分DCR に常時、負荷電流 Iout が流れますので、その損失 Pdcr は以下の式で表されます。

Pdcr = Rdcr × Iout²

 
③ 制御回路で消費する電力による損失

PWM制御方式では SW制御回路は常時動作しており、SW制御回路の消費電流 Icc による損失 Picc が発生します。

Picc = Icc × Vin

この損失は Iout によらず一定ですので、軽負荷時の効率低下の要因になります。

 
（２）ＡＣ損失

SW 切換え時に発生する損失でありスイッチング損失ともいいます。
図６－３に主な AC損失の要因を説明する図を示しています。
 

 
① Pch/Nch MOS_SW のゲート容量の充放電による損失

MOS_SW は MOS のゲート容量を充放電してゲート電位を 0V と Vinレベルに遷移させることで ON/OFF制御します。PWM動作 1周期で MOS-SW のゲート容量Cg_p、Cg_nで充放電される電荷は

Q = ( Cg_p ＋ Cg_n ) × Vin

となります。
1秒間に消費される総電荷量が消費電流に相当しますので、ゲート容量の充放電による消費電力（損失）Pgate は

Pgate = ( Cg_p ＋ Cg_n ) × Vin² × Fsw

となります。
Fsw は PWM動作の発振周波数です。

※ PWM制御ではこの損失はIoutによらず一定ですので、軽負荷時の効率低下の要因になります。なお、この損失は DC損失の SW制御回路の消費電力による損失に含める場合もあります。

② MOS_SW の ON/OFF遷移時間 Tr/Tf による損失
・Tr 時間の損失：

ハイサイドPchMOS_SW が ON した瞬間の Lx電位は 0V ですので PchMOS_SW にはその両端に Vin電圧がかかった状態で Iout電流が流れることになるため損失が発生しますが、Tr時間後には Lx電位は Vinレベル（ PchMOS の ON抵抗は無視 ）になりますので損失ゼロです。したがって Tr期間の PchMOS の両端の電圧の平均値を使って Tr期間１回の損失が計算できます。

　・Tf 時間の損失：

Tr の場合と同様の考え方で計算できます。
したがって Tr と Tf による損失：Ptrtf は

Ptrtf = 1/2 ×（ Tr ＋ Tf ）× Vin × Iout × Fsw

となります。

DC/DCコンバータのバリエーション

DC/DCコンバータには、ここまでに挙げた主要な損失の改善を目的として、多様なバリエーションが存在しています。

具体的には、同期整流PWM方式の軽負荷時の効率改善を目的とした逆流防止機能を追加した同期整流方式が登場し、さらに軽負荷時の効率改善を目的としたVFM方式などがラインナップされてきています。
各方式がどこに着目されたものであるかは、ここまでお読みの読者であればご理解いただけるかと思います。

逆流防止機能なしPWM方式　→　逆流防止機能付き PWM方式　 （DC損失改善）
逆流防止機能付きPWM方式　→　VFM方式　　　　　　　　　　（AC損失改善）

前回、軽負荷時の効率を改善するための制御方式である VFM (PFM)制御方式では負荷電流の低下に伴って、スイッチング周期が長くなるのでノイズ周波数が低周波数側に広がるという説明をしましたが、さらに VFM (PFM)制御方式は基本的に電流不連続動作になりますので電流遮断直後のリンギングによる高周波ノイズも発生します。

これらのことから、効率を優先するか、ノイズ抑制を重視するかの用途に合せた制御方式を採用した同期整流方式DC/DCコンバータも用意されています。

　・効率を最優先にする用途：軽負荷時には VFM(PFM)制御方式に、軽負荷から重負荷領域では逆流防止機能を有した同期整流PWM制御方式に切換え可能なDC/DCコンバータ

　・ノイズ抑制を重視する用途：逆流を許容した同期整流の DC/DCコンバータ
（前者をPWM/VFM(PFM）自動切換え方式、後者を強制PWM方式とよびます。)

最近は、同一製品で高効率を重視した同期整流PWM－VFM自動切換え方式と、電流の逆流を許容することで負荷電流の全領域にわたって電流連続モードで動作させるノイズ抑制を重視した強制PWM方式とを切換可能な製品が開発されています。また電流不連続による高周波ノイズを抑制するためにアンチリンギング対策をおこなった製品も開発されています。

ここまで説明してきました各整流方式の特徴を表１に示します。

 
 
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おわりに

なお、今回がDC/DCコンバータの最後の予定でしたが、あともう一回お付き合いをお願いしたいと思います。次回にこれまでのまとめをおこなってDC/DCコンバータの講座の最終回にしたいと思います。

最後まで読んでいただきありがとうございました。

執筆者プロフィール 講師S　（日清紡マイクロデバイス株式会社　設計センター　設計技術部） 入社以来長期に渡り、ゲートアレイ・マイコン・メモリ・電源ICなどアナログ・デジタルの各種設計に携わる。その後、複合電源ICのテスト技術も極める～設計・テスティングとその教育のスペシャリスト。毎年入社してくる技術者の卵に対する、聞き手目線の優しい解説と丁寧な指導は社内でも有名。その実績を買われ、現在はシニアエンジニアとして後進の育成や新規技術の相談役として活躍中。 日清紡マイクロデバイス株式会社について 世界に先駆けて製品化を実現したCMOSアナログ技術をコアとして、携帯機器市場向けには小型・低消費電力の電源ICを、車載・産機市場向けには高耐圧・大電流・高性能を特長とした電源ICを、Liイオンバッテリ市場向けには小型で高精度な保護ICを提供し、お客様製品の付加価値向上に貢献しています。 日清紡マイクロデバイス公式サイトはこちら