車載バッテリを安定化し過渡波形も除去できるアクティブフィルタの実装方法

同期整流降圧-昇圧型コンバータについて

車載バッテリからの入力電圧が、DC/DCコンバータの安定化出力の設定電圧よりも高い、同じ、または低い電圧範囲に変動し、連続した降圧-昇圧変換動作が必要になると予想される場合、安定化とコンディショニングの両機能の提供は、より困難になります。従来の降圧型または昇圧型コンバータは、それぞれ降圧、昇圧の変換機能しか提供できないため、適合しないと考えられます。

図1に、高精度に安定化された12V電源レール出力を提供する、4スイッチ同期整流降圧-昇圧型コンバータの全回路図を示します。このソリューションは、過酷なバッテリ電圧の過渡事象に対しても、グリッチなしで負荷への電源供給の確保を必要とする、EMU(エンジン管理ユニット)製品や、駆動機構、燃料システムや安全サブシステムなどの車載機能に適用できます。

この降圧-昇圧型電源ステージの最大の利点は、簡素な降圧動作モードと昇圧動作モードを使い、高い電力変換効率が可能なことです。従来のシングル・スイッチの反転降圧-昇圧型回路と異なり、この回路は正の出力電圧を提供するほか、簡素な磁気部品のおかげで、SEPIC、フライバック型、Zeta型やカスケード接続の昇圧-降圧型などの各トポロジと比較して、より低い電力損失や、より高い電力密度を提供します^[5,6]。さらには、この4スイッチ降圧-昇圧型コンバータ回路は直覚的なトポロジ手法、コンパクトなソリューション・サイズ、昇圧モードでの制御されたスタートアップと短絡保護、簡素な制御と補償、それに一定のスイッチング周波数などの特長を備えています。これらの理由で、この回路は車載のバッテリ電圧の安定化に最適です。

図1の回路では、ゲート・ドライバIC(集積回路)、バイアス電源、電流センシング、出力電圧のフィードバック、ループ補償、プログラマブルUVLO(電圧低下ロックアウト)やノイズ低減に役立つディザーのオプションをはじめ、パワー・ステージの各部品やコントローラに、特定の製品を使用しています。ここでは、ソリューションの基板実装面積の縮小と、AM放送の周波数帯への妨害の防止のため、400kHzのスイッチング周波数を選択しました。

4本のパワーMOSFETをHブリッジとして使い、降圧レグと昇圧レグを構成し、SW1とSW2の各スイッチ・ノードを電源インダクタLFに接続しています。入力電圧が、出力電圧よりも適度に高い場合には従来の同期整流降圧型、適度に低い場合には同期整流昇圧型の動作となり、反対側の、スイッチングしてないレグのハイサイド(高圧側)MOSFETは導通して電流経路となります。しかし、この降圧-昇圧型回路の最大の特長は、入力電圧が出力設定電圧に近づいた場合の降圧-昇圧動作の遷移領域に、独自の手法が採用されていることであり、この場合には降圧レグと昇圧レグのそれぞれのスイッチが、半分のスイッチング周波数で位相シフトされインターリーブ動作を行います。この動作は、変換効率や電源損失の面で特に有利です^[7]。昇圧動作ではピーク電流モード、降圧動作ではバレー電流モードとなり、これらを組み合わせた制御アーキテクチャは、スムースなモード遷移が可能であり、必要なのは、電流センシングのための1本のローサイド(低圧側)シャント抵抗だけです。

図2に、入力電圧と負荷変動に対する、電力変換効率と各部品の電力損失を示します。この変換効率特性は、図1のコンバータ回路を元に導き出しました。基本的な構成部品を表2に示します。総合的な電力損失を考慮すると、この12Vの安定化出力のコンバータは、広範囲の入力電圧と出力電流で95%を超える電力変換効率を簡単に可能にすることがわかりました。