スライド 1

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
小山高専/群馬大学
小堀康功
群馬大学講義資料
7-1
７．スイッチング電源の実測-1 （昇圧形電源）
Ｉ
7-1 特性式と実測
Ｉi
Vi
D
Ｌ
Ｉo
Ｖo
（１）定常特性
（Ａ）電圧変換率
E
Ｉoｆｆ
Ｉon
S
● 理論式（2-57）
＊M=Vo/Vi=
1/D’
1+Zo/R
Zo = r/D’ 、 r=rL + D･rs + D’･rd
（rL=0.085Ω、rON =1.1Ω、ｒd=0.45Ω）
M=1/D’(1+Zo/R)
Zo =（1/D’M－1）･R
(7-1)
群馬大学講義資料
Io=[A]
0.305
Ｖｉ [V]
Iｉ [A]
4
R
L=23uH(RL=85mΩ)、R=15.5Ω
Co=OS200uF、Ci =100uF
２
●実測値：
C
Vo= [V]
4.89
R= [Ω]
16
実測D'
実測M
実測Zo
IL
r
計算Zo
計算M
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
7-2
● 電圧変換率
＊実測値は素直な特性
＊計算値は、低電圧で？
実測M
電圧変換率
計算M
5.0
4.5
4.0
3.5
● インピーダンス
＊実測値はよいが、計算値はおかしい
＊Viが小さいと、Mは大きく、D’は
小さくなり、Zo は大きくなる
● 入力電流、効率
＊ViダウンでＩｉ ,Zoアップし、効率ダウン
Iｉ [A]
入力電流、効率
効率
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1
1.5
2
30
1.6
25
1.4
3
実測Zo
ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽZo
1.8
2.5
3.5
4
Vi [V]
4.5
計算Zo
20
1.2
15
1
10
0.8
0.6
5
0.4
0
1
1.5
群馬大学講義資料
2
2.5
3
3.5
Vi [V]
4
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Vi [V]
4.5
7-3
Nﾁｪﾈﾙ MOSFET
（Fairchild：FDN335N） 20V、8A
● ON抵抗
＊VGS＜ 4V では、ほぼ一定
＊温度が上がると、抵抗は増加
RON = 1.0 + 0.2･(T－25） [Ω]
（VGS=4.5V、Ｉo=1.7A）
(7-2)
● ショットキー・ダイオードは降圧型と類似
Fairchild 資料より
群馬大学講義資料
7-4
L=23μH, RL=85mΩ
Ci=ｹﾐｺﾝ100μF
Co=OS200μF
To=1.8μs
（Ｂ）定常リプル
● 理論式 (2-69)（2-70）
⊿Vo=
D･To
D･To
Vo =
Io ⇒ 出力にも依存
CR
C
＊⊿Vo=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（TDo=7.5μs）
● 実測値１: OSコン接続
(7-3)
OSコンESR：80/2=40mΩ
セラコンESR=60/2=4mΩ
（測定 F=1kHz）
IL=70mApp
70mApp
ON
OFF
＊実測値：⊿Vo = 58 mVpp (大きい)
＊ESRの検討
⊿VESR=ESR＊⊿IL
=0.04･70=2.8 mVpp
∴ ⊿Vo=3.4 mVpp
Vo=58mVpp
電圧リプル1（Vi=1.5V,D=0.2 ）
群馬大学講義資料
7-5
IL=80mApp
● 実測値２：Vi 変更（.3.5V ← 1.5V）
ON
OFF
＊実測値：⊿Vo= 20 mVpp（大きい）
＊理論値：
⊿o=0.04･80+1.65 ≒ 5 mVpp
？なぜこんなに違うのか？
● 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
＊他の要因有
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
理論値と合っている！！
(ダイオード電流はうまく測れない)
Vo=20mVpp
電圧リプル2（Vi=3.5V,D=0.6 ）
コンデンサ両端:Vc < 10mV
Vo=35 mV
（OSコン＋セラコン）時のリプル電圧(Vi=3.5V)
群馬大学講義資料
7-6
（Ｃ）入力電圧と定常リプル
● 理論式 (2-69)（2-70）
⊿Vo=
D･To
To･Io
Vo ≒(1-D’)
CR
C
L=23μH, RL=85mΩ
Ci=ｹﾐｺﾝ100μF
Co=OS100μF
+ｾﾗｺﾝ47uF
To=1.8μs
(7-4)
● 実測値4: 出力コンデンサ両端リプル
＊Viダウンで、D’ダウン（Dアップ）
＊ﾀﾞｲｵｰﾄﾞﾋﾟｰｸ電流と類似
● 上式を図で考えてみると
Vr = D･Vro ∝ D
(7-5)
ﾘﾌﾟﾙ[mV]
Vr [mV]
Id計算
Id [A]
45
2.0
40
35
30
1.5
25
Ｉd
I2
I1
20
1.0
15
10
0.5
5
Vc
Vro
D2
D1
群馬大学講義資料
0
0
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Vi[V]
ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ電流と電圧リプル
（Vo=5.0V,Io=0.305A ）
7-7
⊿Vr=0.14V
（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
＊条件：
⊿Io=0.45A
Vi=2.5V
⊿Io=0.4A （Io=0.35～0.75A）
di/dt=120 mA/us
⊿Vo=13 mV
＊実測性能：
オフセット：⊿Vo=－13mV
ドロップ：⊿Vp=－75mV／50us
・右波形は、LPFによりSWノイズ除去
Fc=3.4kHz （C=0.1uF、R=470Ω）
1 ms
昇圧形負荷応答特性
群馬大学講義資料
7-8
（Ｂ）入力電圧 vs 負荷応答リプル
⊿Vo
出力リプル [mVpp]
＊条件：前ページと同様
250
＊実測性能：
200
150
・入力電圧が高いと、リプル小
100
＊理由は・・・
応答特性式（2-89）において
(2-81)（2-45）より
50
0
1
R+RD’２
wn =
LCR
２
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Vi [V]
入力電圧 vs 負荷応答出力リプル
● 昇圧型電源の動特性：
P(s)=1+2δ(s/wn)+(s/wn)2
1.5
(2-81)
(7-6)
＊入力電圧が高い ⇒ M=1/D’が小さい ⇒ D’が大きい ⇒ wnが高い
群馬大学講義資料
7-9
（３）ループ特性
Vi=4.0V
（Ａ）閉ループ伝達関数
＊入力電圧 vs. 伝達特性
（Io=0.35A、OSｺﾝ：100uF）
Vi=2.5V
Vi=1.5V
● Vi=4.0V,2.5 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
群馬大学講義資料
7-10
Fc=12kHz
（Ｂ）ESRと伝達関数
● 出力コンデンサによる相違
（Vi=2.5V、Io=0.35A）
＊出力Ｃo２倍 ⇒ Fc半減
＊ESRの低減（ｾﾗｺﾝ100uF変更）
Fc不変なれど、特性明確化
OSコン：100uF
Vi=2.5V
Fc=6kHz
Fc=7kHz
OSコン：100uF
ｾﾗｺﾝ：100uF
群馬大学講義資料
OSコン：200uF
7-11
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
Rg=47Ω
（Ｂ）リプル低減検討
(Co：OSコン100uF+ｾﾗｺﾝ47uF)
●ゲートドライブ抵抗の変更
＊抵抗： 47 ⇒ 147Ω
⇒ リプル： 0.80 ⇒ 0.45Vpp
ON
OFF
● ESRの低下
＊Co にｾﾗｺﾝ47uF 追加
⇒ 大差なし
群馬大学講義資料
Rg=147Ω
7-12
（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
上：出力ノイズ
*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
（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）
群馬大学講義資料
下：電源ノイズ
共振LCは？
7-13
（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
・ Lo：22.7uF、0.086Ω ⇒ L1:47.1uF、 0.108Ω
＊効率
・ηo =75.5 ％
⇒ L1 =71.2 ％
・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、ｒLを小さくして効率を上げたほうがよい
群馬大学講義資料
7-14

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