数百W、60Vの入出力:並列接続が容易で温度上昇を最小限に抑える同期整流式4スイッチ昇降圧コンバータ

LT3790は4スイッチの同期整流式昇降圧DC/DCコンバータで、最大効率98.5%時に定電圧および定電圧の両方を安定化し、使用するインダクタは1個だけです。このデバイスは数百Wの電力を供給可能であり、入出力定格60Vが特長なので、昇圧と降圧の両方の変換が必要な場合のDC/DC電圧レギュレータやバッテリ・チャージャに最適です。

LT3790コンバータは、その同期スイッチング回路構成により、単独で大電力を供給できますが、最終的には大電力時のスイッチング損失または導通損失あるいはその両方によって基板が過熱し、コンバータ1個に負担がかかる可能性があります。熱は大型のヒートシンク、外付けのゲート・ドライバ、または強制空気流あるいはその組み合わせによって軽減できますが、2 個以上のコンバータを単純に互いに並列に接続して負荷を分散する方が良い場合があります。これはLT3790昇降圧レギュレータを使うと簡単です。

120W、24V、5A出力の昇降圧電圧レギュレータ

図1に示す昇降圧コンバータは、負荷0A ~5Aのとき最大効率98.5%で24Vを安定化します。また、8V ~56Vの入力電圧範囲で動作します。この回路は、調整可能な低電圧および過電圧ロックアウトによって保護されます。このデバイスは短絡保護回路を内蔵しており、出力に短絡が生じるとSHORT出力フラグによって示します。軽負荷時のDCM動作による最も低い消費電力と、逆電流保護が特長です。検出抵抗ROUTは、短絡と過負荷の両方の状況での出力電流制限値を設定して、堅牢なアプリケーションを実現します。

図1.入力電圧範囲が8V ~56Vで120W、24V、5A出力の昇降圧電圧レギュレータは、効率が最大で98.5%で、並列接続が簡単です。

図1.入力電圧範囲が8V ~56Vで120W、24V、5A出力の昇降圧電圧レギュレータは、効率が最大で98.5%で、並列接続が簡単です。

この120W基板の12V入力時の温度上昇は、図2aに示すように最も高温の部品(スイッチングMOSFET)でもわずか20°Cです。部品の温度を過剰に上昇させずに、12V入力時の出力電力を大きくするか低めのVIN から同じ120Wを得る場合でも、なお余裕があります。ただし、出力電力を大きくするには、それに応じて出力電流制限値を増やすことが必要なので注意してください。入力を8Vまで下げて120W出力で動作させた場合、この標準の4層LT3790 PCBの部品は、強制空冷もヒートシンクによる放熱も行わずに(室温で)97°C未満にとどまります。温度上昇と入力電圧範囲を同じ大きさだけ制限して、きわめて大きな電力を供給するため、2つ以上のLT3790コンバータを容易に並列接続することができます。

図2.図1に示す24V、5Aのコンバータが1個の場合、どの部品でも温度上昇は12V入力(a)時が最大20°Cであり、9V入力(b)時が50°Cです。8V入力(c)時でも、最も高温の部品が到達する温度は、強制空冷もヒートシンクによる放熱も行わずに、わずか96.5°Cです。

図2.図1に示す24V、5Aのコンバータが1個の場合、どの部品でも温度上昇は12V入力(a)時が最大20°Cであり、9V入力(b)時が50°Cです。8V入力(c)時でも、最も高温の部品が到達する温度は、強制空冷もヒートシンクによる放熱も行わずに、わずか96.5°Cです。

並列接続コンバータ、定電圧のマスタ、定電流のスレーブ

並列接続のスイッチング・コンバータは、出力電圧範囲全体を通じて負荷を均等に分担するのが理想です。定電圧または定電流で動作するLT3790の能力により、1つのマスタ・コンバータで出力電圧を制御できます。さらに、その電流モニタ出力(ISMON)は、スレーブ・コンバータ固有の出力レベルと一致させるためにどの程度の出力電流を安定化するか(CTRL入力)を1つまたは複数のスレーブ・コンバータに指示します。この方法を使用して複数のコンバータ間で電流が一致すれば、ほぼ理想的です。

マスタのCLKOUTピンをスレーブのSYNC入力ピンに直接接続して、2つの並列接続コンバータの位相を180°交互に配置することができます。コンバータ間の位相差を180°にすると、コンバータの全体的な出力リップルは低減され、2倍にはなりません。3つ以上のコンバータを並列に接続した場合は、外部のクロック信号源を使用するか、またはCLKOUTピンをデイジーチェーン接続して、コンバータを同期し、位相をずらして動作させるか、同相で動作させることができます。

LT3790を並列に動作させることによって形成される24V、10A(特定の条件では25A、図を参照)の電圧レギュレータを図3に示します。2 つの並列回路を使用することにより、温度上昇の最大値は、どのディスクリート部品でも12V入力のM3およびM7 MOSFETでわずか20°Cであり、9V入力では50°Cです。

図3.2つのLT3790 24V電圧レギュレータは並列接続するのが簡単で、ディスクリート部品の温度上昇が制限されている出力の倍増に対応します。

図3.2つのLT3790 24V電圧レギュレータは並列接続するのが簡単で、ディスクリート部品の温度上昇が制限されている出力の倍増に対応します。

図3の上側のコンバータ(マスタ)は、24Vの出力電圧を安定化し、下側(スレーブ)コンバータによって安定化される電流レベルを指示します。マスタのISMON出力は、マスタがどの程度の電流を供給しているかを示します。また、スレーブのCTRL入力にISMONを直接接続することにより、スレーブはマスタに従うことを強制されます。LT3790 のISMON出力レベルとCTRL入力レベルは、一方から他方への直接接続が可能になるように、まったく同じように対応付けられます。また、そうすることにより、図4に示すように、全出力電流を並列接続コンバータ間で均等に分担するよう強制します。スレーブの電圧帰還ループはレギュレーション状態になっておらず、スレーブがマスタに従うことができるように、スレーブの出力電圧をわずかに高く(28V)設定していることに注意してください。

図4.並列接続コンバータのインダクタ電流と出力電流の整合

図4.並列接続コンバータのインダクタ電流と出力電流の整合

安定性を得るためのループ解析

トランジェント応答とネットワーク・アナライザのループ解析を使用して、安定性を測定することができます。図5に示す電流が50%から100%に変化したときのトランジェント応答では、適切に補償されたコンバータと均等に分担された負荷電流を実証しています。ネットワーク・アナライザを使用してさらに解析することにより、個々のコンバータの詳細が分かります。制御ループのボード線図を生成するためのノイズ注入点および測定は、定電圧レギュレータのマスタと定電流レギュレータのスレーブでは異なります。これとは別に、図6に示すように、摂動信号を注入してループの応答を測定することで各ループを測定することができます。

図5.並列接続コンバータのトランジェント応答では電流が均等に分担される

図5.並列接続コンバータのトランジェント応答では電流が均等に分担される.

図6.並列接続コンバータのループ応答測定

図6.並列接続コンバータのループ応答測定

定電流のスレーブでは、そのループを切断し、従来の電圧帰還経路ではなく電流ループの帰還経路で信号を注入する必要があります。並列動作時に使用するのは帰還ループだからです。図7に示すマスタのボード線図は、システムの安定性を実証しています。

図7.ボード線図が示すのは並列システムの測定結果です。

図7.ボード線図が示すのは並列システムの測定結果です。

まとめ

LT3790同期整流式昇降圧コントローラは、さまざまな負荷に対して100W超の電力を最大効率98.5%で供給し、複数のコンバータを並列接続するのが簡単で、さらに大電力の出力にも対応します。出力電圧または出力電流を制御する能力と、ISMON出力アンプとCTRL入力アンプのレベル整合機能を組み合わせることにより、マスタの電圧レギュレータと1つまたは複数のスレーブ電流レギュレータの接続が簡単になります。結果として、数百Wを高効率で供給できる大電力60V昇降圧レギュレーションを実現できます。

著者

Keith Szolusha

Keith Szolusha

Keith Szolushaは、アナログ・デバイセズ(Linear Technologyから転籍)のLEDドライバ・アプリケーション・マネージャとしてカリフォルニア州ミルピタスで業務に従事しています。マサチューセッツ州ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学で技術論文の執筆に集中し、1997年に電気工学の学士号、1998年に同修士号を取得しました。