JAJA709 November   2021 LM5157 , LM5157-Q1 , LM51571-Q1 , LM5158 , LM5158-Q1 , LM51581 , LM51581-Q1

 

  1.   LM5157x および LM5158x を使用して昇圧コンバータを設計する方法
  2.   商標
  3. 1LM5157 の昇圧設計の例
  4. 2計算と部品の選択
    1. 2.1  スイッチング周波数
    2. 2.2  インダクタの計算
    3. 2.3  勾配補償チェック
    4. 2.4  インダクタの選択
    5. 2.5  ダイオードの選択
    6. 2.6  出力コンデンサの選定
    7. 2.7  入力コンデンサの選択
    8. 2.8  UVLO 抵抗の選択
    9. 2.9  ソフトスタート・コンデンサの選択
    10. 2.10 帰還抵抗の選択
    11. 2.11 制御ループの補償
      1. 2.11.1 クロスオーバー周波数 (fcross) の選択
      2. 2.11.2 RCOMP の選択
      3. 2.11.3 CCOMP の選択
      4. 2.11.4 CHF の選択
    12. 2.12 電力損失と効率の推定
  5. 3実装結果
  6. 4小信号周波数解析
    1. 4.1 昇圧レギュレータの変調器のモデル化
    2. 4.2 補償のモデル化
    3. 4.3 開ループのモデル化

2.2 インダクタの計算

昇圧コンバータのインダクタンス値は、インダクタの電流リップル比 (RR、平均インダクタ電流に対するピーク・ツー・ピーク・リップル電流として定義) を使用して計算できます。インダクタンス値の選択を左右する主な検討事項は、電力損失、インダクタ電流の立ち下がり勾配、制御ループの右半面 (RHP) ゼロ周波数 (ωZ_RHP) の 3 つです。

  • インダクタンス値が大きくなると、インダクタのコア損失と RMS 電流は小さくなりますが、インダクタの DCR が大きくなる可能性もあることに注意してください。
  • インダクタ電流の立ち下がり勾配が十分小さくなり、LM5157x および LM5158x のピーク電流モード制御での分数調波の発振を防止できるよう、インダクタンス値は十分大きくする必要があります。
  • 昇圧コンバータでは通常、RHP ゼロによって設計の帯域幅制限が設定されます。したがって、制御ループのクロスオーバー周波数を高くするには、RHP ゼロ周波数を十分に高くする必要があります。相対インダクタンス値が小さくなると、RHP ゼロ周波数が増加します。

最大リップル比が 30%～70% の場合、上記の検討事項の間で適切なバランスを取ることができます。この例では、インダクタ電流の最大リップル比が 60% に設定されています。連続導通モード (CCM) 動作では、デューティ・サイクル が 33% (DmaxΔIL=0.33) のときリップル比が最大になり、デューティ・サイクルが 33% のときの電源電圧はEquation2 で計算されます。

Equation2. V SUPPLY _ max Δ IL = V LOAD ∙ 1 - D max Δ IL = 12 ∙ 1 - 0.33 = 8 V

ここで

  • DmaxΔIL は、インダクタのリップル電流が最大になるデューティ・サイクルです

目的のリップル比である VSUPPLY_maxΔIL とスイッチング周波数が判明していれば、Equation3 を使用して1.6A 負荷でのインダクタンスの値を計算できます (VSUPPLY = 6V～9V)。

Equation3. L M _ calc _ 1 = V SUPPLY I SUPPLY ∙ RR ∙ f sw ∙ D = 8 V 2.4 A ∙ 0.6 ∙ 2.1 MHz ∙ 0.33 = 0.88 μH

ここで

  • D は、インダクタのリップル電流が最大になるデューティ・サイクルです
  • RR はインダクタの電流リップル比です

0.8A の負荷ケース (VSUPPLY = 3V～6V) で、デューティ・サイクルが 33% にならない場合、最大電源電圧 (6V、デューティ・サイクル = 0.5) を使用して最大リップル比を計算します。インダクタの値の計算には、Equation4 が使用されます。

Equation4. L M _ calc _ 2 = 6 V 1.6 A ∙ 0.6 ∙ 2.1 MHz ∙ 0.5 = 1.49 μH

両方の領域の要件を満たすために、LM の値として標準インダクタンスである 1.5μH を選択します。電源電圧が最小値 VSUPPLY_min で、最大負荷電流 ILOAD_max のとき、ピーク・インダクタ電流が最大になります。ピーク・インダクタ電流は、Equation5 とEquation6 を使用して計算します。ここでも 2 つの領域が別々に計算され、大きい方が最大値になります。

Equation5. I L peak _ MAX _ 1 = V LOAD ∙ I OUT V SUPPLY ∙ η + 1 2 ∙ V SUPPLY ∙ D L M ∙ f sw = 12 V ∙ 1.6 A 6 V ∙ 0.9 + 1 2 ∙ 6 V ∙ 0.5 1.5 μH ∙ 2.1 MHz = 4.03 A
Equation6. I L peak _ MAX _ 2 = 12 V ∙ 0.8 A 3 V ∙ 0.9 + 1 2 ∙ 3 V ∙ 0.75 1.5 μH ∙ 2.1 MHz = 3.91 A

ここで

  • η は推定される効率です

ピーク・インダクタ電流を使用して、LM5158、LM51581、LM5157、LM51571 のいずれかのデバイスを適切に選択します。それぞれの電流制限については、データシートを参照してください。部品の公差とレギュレータの電力損失があるため、計算されたピーク・インダクタ電流よりも多少の余裕を持たせてピーク電流制限を選択します。この例では、15% のマージンを考慮して、LM5157 デバイスを選択しています。