日本TI、DC/DC電圧変換にも対応するユニバーサルなツールに関する最新技術記事を公開

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*本記事は、2019年10月1日に発表した『TPS638xx』昇降圧コンバータ・ファミリに関連する記事です。

日本テキサス・インスツルメンツは、このたび、新しい技術記事「どのDC/DC電圧変換にも対応するユニバーサルなツールは存在するか」を公開しました。アプリケーションやサブ回路が正しく動作するには、ほとんどの場合、決められた許容電圧範囲内に収まる定電源電圧が欠かせません。ワイヤレス・センサや携帯機器といったバッテリ駆動のアプリケーションでは、バッテリが放電して電圧が低下しても必要な出力電圧が得られるように、電圧を変換する必要があります。光学モジュールや有線センサ、アクティブ・ケーブル、ドングルといった、電源電圧が固定されたアプリケーションでも、利用できる電圧レールが必要な入力電圧と合わない場合、または電圧が変動して規定の許容範囲を外れる場合は、電圧変換が必要になるでしょう。
本記事では、電圧変換の手段として昇降圧コンバータが適しているのはどのような場合か、どのタイプのDC/DC電圧変換にも対応するユニバーサルなツールとしても使えるかどうかを解説します。

昇降圧コンバータを使用すると良いケース
一般に、回路またはサブ回路に利用できる電源電圧が必要な電圧より低い場合は、昇圧（ブースト）コンバータが効率的に変換を行ってDC電圧を昇圧します。利用できる電源電圧が必要な電圧より高い場合は、降圧（バック）コンバータで電圧変換を行います。
電源電圧が必要な出力電圧より高い場合にも低い場合にも対応できるようにするには、昇降圧コンバータが必要です。昇降圧（バック/ブースト）コンバータとは、昇圧コンバータと降圧コンバータを組み合わせて1つにしたものです。

降圧コンバータと昇圧コンバータのアーキテクチャを結合することで、昇降圧コンバータは、出力電圧の昇圧・降圧のどちらも可能になります。実際の入力電圧とプログラムされた出力電圧に応じて、制御ループがデバイスを降圧モードと昇圧モードのどちらに設定するかを判断します。
例として、標準電圧範囲が4.2V～2.8Vのリチウムイオン・バッテリから3.3Vを供給する必要があるとします。降圧コンバータを使用した場合、バッテリのカットオフ電圧が3.3Vより大きくなければならないので、未使用のエネルギーがバッテリに残ってしまうという欠点があります。しかし、昇降圧コンバータなら、図2に示すように入力電圧が3.3V以下のときでも貯蔵エネルギーを取り出すことができるので、バッテリ内のエネルギーをすべて使い切ることができます。

電圧スタビライザとしての昇降圧コンバータの使用
昇降圧コンバータの使い方として2番目に多いのが、電圧スタビライザとして利用することです。電源電圧に変動があるが（例えば±10%の変動がある3.3V電源）、負荷にはきちんと安定化した電圧が要求される場合（例えば許容範囲が±5%の3.3V）、電圧を安定させる昇降圧コンバータが必要になります。光学モジュールのトランスインピーダンス・アンプなどの電源電圧の影響を受けやすい部品の場合は、さらに厳密な安定化電圧が必要かもしれません。産業用アプリケーションでそれ以外のDC/DCプリレギュレータが厳密に安定化を行わない場合や、電源パス上のe-Fuse、負荷スイッチ、長いケーブルといったその他部品により、電流に応じた電圧変動が加わる場合なども同様です。この問題は、昇圧コンバータまたは降圧コンバータ単独では解決できないかもしれません。しかし、昇降圧コンバータなら、変動のある入力電圧を厳しい規定制限内にレギュレーションできるでしょう。図3は、±0.5V/10µsの高速ライン過渡電圧に対する『TPS63802』の応答を示し、出力電圧アンダーシュート/オーバーシュートが±0.1Vと非常に低くなっています。

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