パワーエレクトロニクス工学論

７．昇圧形電源の実測

7-1 特性式と実測

（１） 定常特性（電圧変換率、定常リプル、出力Z）

（２） 動特性（負荷応答特性）

（３） ループ特性

7-2 性能検討

（１） スイッチング・ノイズ （２） 効率

パワーエレクトロニクス工学論

（１） 定常特性

（Ａ）電圧変換率 ● 理論式

＊M=Vo/Vi=

Zo =

r

r

r

（

r

Ω

r

Ω

ｒ

Ω

M=1/D’(1+Zo/R)

Zo =（1/D’M－1）･R (7-1)

7-1 特性式と実測

７．スイッチング電源の実測 -1 （昇圧形電源）

Vi Ｉ Ｌ Ｖo Ｉo Ｉ i

E S

D

C R

Ｉon

Ｉoｆｆ

1/D’

1+Zo/R

L= 23uH (R^L=85mΩ)、R=15.5Ω Co = OS 200uF、Ci = 100uF

Ｖｉ [V] Iｉ [A] 実測D' 実測M 実測Zo IL r 計算Zo 計算M

4 0.48 0.7 1.2 2.697 0.436 0.730 1.490 1.3

3.5 0.55 0.6 1.4 3.087 0.508 0.795 2.208 1.5

3 0.65 0.5 1.6 3.247 0.598 0.854 3.281 1.6

2.5 0.79 0.4 2.0 3.476 0.726 0.912 5.170 1.8 2 1.04 0.3 2.4 5.110 0.984 0.984 10.234 2.0 1.5 1.61 0.2 3.3 8.540 1.525 1.055 26.375 1.9

● Io = 0.305 A, Vo = 4.89 V, R = 16 Ω

● 電圧変換率

＊実測値は素直な特性 ＊計算値は、低電圧で？

● インピーダンス

＊実測値はよいが、計算値はおかしい ＊

Vi

M

D’

Zo

● 入力電流、効率

＊

Vi

,

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

実測M 計算M

Vi [V]

電圧変換率

0 5 10 15 20 25 30

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

実測Zo 計算Zo

Vi [V]

ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽZo

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Iｉ [A] 効率

入力電流、効率

Vi [V]

（Ｂ） 定常リプル ● 理論式

L=23μH, RL=85mΩ Ci=ｹﾐｺﾝ100μF

C^o=OS200μF

To=1.8μs (F=560kHz)

⇒ 出力にも依存 (7-3)

⊿Vo= D･To Vo = Io CR

D･To C

＊⊿

V

=0.009

D

Io = 0.55 [mVpp]

（Io=0.305A、D’ =0.2 @Vi=1.5V）

＊周期To：降圧形の1/4

OSコンESR：80/2=40mΩ セラコンESR=8/2 =4 mΩ

（測定 F=1kHz）

電圧リプル1（Vi=1.5V,D=0.2 ） Vo=58mVpp

70mApp

I^L=70mApp ^{ON OFF}

● 実測値１: OSコン接続

＊実測値：⊿Vo = 58 mVpp (大きい) ＊ESRの検討

⊿VESR=ESR＊⊿IL

= 0.04

Ω

● 実測値３: セラコン使用

＊Co=100uFセラコン + ＯＳコン100uF ・⊿Vo ・・・変化なし

負荷側への電流は急峻 ・コンデンサ両端電圧を測定 電圧リプル＜10mVpp

★理論値と近い値！

１次側電流（＝M･Io） ⇒ GNDノイズ

Vo=20mVpp

I^L=80mApp ^{ON OFF}

電圧リプル2（Vi=3.5V,D=0.6 ）

＊理論値：

⊿o=0.04･80+1.65 ≒ 5 mVpp

＊実測値：⊿Vo= 20 mVpp）

出力リプル：20/58 = 0.35 に減尐 １次側電流：1.5/3.5 = 0.43 に減尐

● 実測値２：Vi 変更（ 3.5V ← 1.5V）

（＋セラコン）時のリプル電圧(Vi=3.5V) コンデンサ両端:Vc < 10mV

Vo=35 mV

（２） 動特性（負荷応答特性）

（Ａ）電流ステップと電圧ドロップ

● 出力リプル（ｵｰﾊﾞｰ

/

＊条件：

Vi=2.5 V ⇒ Vo=5.0 V

⊿Io=0.4A （Io=0.35 ⇔ 0.75A）

di/dt=120 mA/us ＊実測性能：

オフセット：⊿Vo=－13mV

シュート ：⊿Vp=－75mV／50us

★オフセットは 位相遅れ補償で解消

昇圧形負荷応答特性

⊿Io=0.4A

⊿Vr=0.14V

⊿Vo=13 mV

1 ms

右波形は、LPFによりSWノイズ除去 Fc=3.4kHz （C=0.1uF、R=470Ω）

（Ｂ）入力電圧

vs

＊実測性能：

・入力電圧が高いと、シュート 小 ＊理由は・・・

・昇圧形の電圧変換率

M

M=Vo/Vi=1/D’

・Vi が高い ⇒ D’も大きい

入力電圧 vs 負荷応答出力リプル

⊿Vo

0 50 100 150 200 250

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Vi [V]

出力リプル [mVpp]

＊入力電圧が高い ⇒ D’が大きい ⇒ Gvdoが大きい⇒ w’ⁿ が高い、δ’が大きい

P(s)=1+2δ(s/w

)+(s/w

)

(2-81)

w’

=w

1+ KG

δ’= { δ

KG

w

/2w

} / ^1+KG

{1－(rL+rs)/RD‘²}/D’

(1+Zo/R)

Gvdo = ・Vo = ・Vi ^{{1－(rL+rs)/RD‘ （2-89 より）}

2}

(1+Zo/R)

Vi=4.0V

（３） ループ特性

（Ａ）閉ループ伝達関数

＊入力電圧

vs.

（Vo=5V, Io=0.35A, OSｺﾝ：100uF）

Vi=2.5V

Vi=1.5V

● Vi=4.0V, 2.5V ではFc に大差はないが 減衰係数（ﾋﾟｰｸ）が異なる

● Vi=1.5V では、急激にFcが低下 もっとゲインを高めるべき

（Ｂ）ESRと伝達関数

● 出力コンデンサによる相違 （Vi=2.5V, Vo=5.0V, Io=0.35A）

＊出力Ｃo２倍 ⇒ Fc半減

＊ESRの低減（ｾﾗｺﾝ100uF変更）

Fc不変だが、特性変化 ESRによる 位相進み

Fc=12kHz

OSコン：100uF Vi=2.5V

OSコン：100uF ｾﾗｺﾝ：100uF

Fc=7kHz

OSコン：200uF

Fc=6kHz

7-2 性能検討

（１） スイッチング・ノイズ

（Ａ）ＳＷ－ＯＮ時に共振 F = 80 kHz

（Ｂ）リプル低減検討

① ゲートドライブ抵抗 Rg の変更 ② Co の追加：

OSコン100uF+ｾﾗｺﾝ47uF ●ゲートドライブ抵抗の変更 ＊抵抗：

Rg = 47 ⇒ 147 Ω

⇒ リプル： 0.80 ⇒ 0.45Vpp ● ESRの低下

＊Co にｾﾗｺﾝ47uF 追加 ⇒ 大差なし

Rg=47Ω

Rg=147Ω

ON OFF

（C）入力Cと電源ノイズ ＊初期状態

・入力 Ci：ｹﾐｺﾝ100uF ・電源ノイズ：0.60Vpp *OSコン：100uFの追加 両ノイズとも 効果なし ＊ｾﾗｺﾝ：47uFの追加

両ノイズとも 効果なし

［理由］ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ導通時には 電源ラインは無関係

上：出力ノイズ

下：電源ノイズ

（Ｄ）インダクタンスとノイズ ＊Ｌ：23uH ⇒ 47uH

＊出力ノイズ： レベル・周波数共 同じ ＊電源ノイズ：やや低下（0.50Vpp）

共振LCは？

（２）効率： L の違いによる効率変化

＊条件： Vi=2.5V 、 Vo=4.98V 、 Io=0.35A ＊インダクタンス

・ L

： 22.7uF 、 0.086Ω ⇒ L

:47.1uF 、 0.108Ω ＊効率

・ η

=75.5 ％ ⇒ 71.2 ％

=1.75W

P=

・コイル内部抵抗の増加により、効率低下 ・入出力の共振ノイズも不変

⇒ Ｌを下げ、 ｒ

を小さくして 効率を上げたほうがよい

以上