DC-DCコンバーター向け適切な面実装インダクターの選び方

スイッチモード電力変換の基礎を理解することは、あらゆるDC-DCアプリケーションに最適なインダクターを選定する上で不可欠です。Signal Transformerのエンジニアリングディレクター、Mitchell Rhine氏によるこのガイドでは、主要概念と実践的ステップを解説します。

リニアレギュレーターは電力を熱として消費します：パストランジスタの電圧降下に負荷電流を乗じたものが損失電力となります。対照的に、スイッチモードDC-DCコンバーターは、フィルタリング後に所望の出力電圧を供給するデューティサイクルでパワートランジスタを高速オン/オフさせます。トランジスタがオンの時は電圧降下が無視でき、オフの時は電流が流れません。このスイッチング動作により電力損失をほぼゼロに近づけ、リニアレギュレーターの約50%に対し最大95%の効率を実現します。さらに、スイッチモードコンバーターのトポロジーにより、バック（降圧）、ブースト（昇圧）、バックブースト（反転）回路として機能可能です。

明確化のため、最も広く使用される設定である固定周波数バックコンバーターの連続モード動作に焦点を当てます。

図1：シンプルなスイッチングDC-DCコンバーター。

基本的なバックコンバーターは、スイッチ、インダクター、コンデンサ、ダイオードで構成されます（図1参照）。理想的なスイッチとダイオード（Vsw=0、Vd=0）と仮定すると解析が簡素化されますが、実際の設計では非ゼロ電圧降下を考慮する必要があります。

オン期間中、ダイオードは逆バイアス状態となり、電流がインダクターを通じて入力から出力へ線形にランプアップします。スイッチがオフになると、インダクターに蓄えられたエネルギーが電流を流し続けさせ、ダイオードが順バイアスとなり、次のオンサイクル前に電流がゼロまで減衰します。このランプ動作により、オンフェーズで磁気コアにエネルギーが蓄えられ、オフフェーズで放出されます。

図2：バックコンバーターにおけるインダクター電流波形。

電流波形は、負荷電流（Iload）に等しいDC成分と、周期的にランプアップ/ダウンするAC成分で構成されます。定常状態では、スイッチングサイクル終了時の電流は開始時の電流と等しくなります。

デューティサイクル制御から、出力電圧は以下で与えられます：

Vout = D · Vin （式1）

ここで D = ton / (ton + toff)、スイッチング周波数 fsw = 1 / (ton + toff)、ton = D / fsw です。

オン期間中のコンポーネント電圧降下を加算（Vsw=0と仮定）すると：

Vin – Vind – Vout = 0 （式2）

Vind = L · di/dt、di ≈ Iramp、dt = ton を代入すると：

L · Iramp = (Vin – Vout) · ton （式3）

式3は、固定された入出力電圧差に対して、インダクタンスと電流ランプの積が一定であることを示します。Lを増やすとIrampは減少し、Lを小さくすると電流リップルが拡大します。Lが小さすぎると、Irampが大きくなりサイクルの一部でインダクター電流がゼロになり、不連続モード動作に入ります。

大きなIrampは出力電圧リップルを増加させるだけでなく、ACコア損失も増大させます。経験則として、Irampは最大負荷電流のわずかな割合に留め、リップルと損失を許容範囲内に抑えるべきです。

定常状態動作でインダーターが耐えなければならない最大ピーク電流は：

Imax = Iload,max + Iramp/2 （式4）

IrampはIloadに依存せず入力電圧に依存します。オフ期間を考慮し、Vd=0とすると：

Vind – Vout = 0 （式5）

Vind = L · di/dt、dt = toff を用いると：

Iramp = Vout · toff / L （式6）

Voutは一定であるため、toff（したがってVin）が最大の時にIrampが最大となり、これが式4を通じて最悪ケースのImaxを決定します。

インダクタンスとピーク電流要件が確立されたら、次は基板の電気的・機械的制約を満たすインダクターを選定します。シールド型または低EMIインダクターは、磁束が閉じ込められ放射妨害を低減するため、IoTデバイスなどの高密度・高性能設計に最適です。

例えば、Signal TransformerのSCRHシリーズは、1.0µH〜180µHのインダクタンス、0.15A〜5.0Aの飽和電流、1.9mm〜4mmのパッケージ高さで磁気シールド品を提供します。より大きなインダクタンスが必要な場合、SCxxxxCシリーズは10µH〜1mH、飽和電流0.045A〜8A、高さ2.92mm〜7.62mmで提供されます。ハイカレント用途や、ロープロファイルパッケージで効率と電力処理を最大化する非シールドインダクター向けの追加シリーズも利用可能です。

掲載画像出典：Signal Transformer