電源の過渡応答性を良くするために

近年、 「負荷過渡応答性(Load Transient Response)の良い電源ICはありますか？」というお問合せが増えています。

特にFPGAのCore向け電源など、低電圧・大電流化の流れの中で、負荷急変時の過渡応答性が良い電源ICの需要が高まっています。

そこで本記事では、過渡応答性を良くするために考慮すべき事項について説明していきます。

過渡応答性を良くするためには？

そもそも、過渡応答性を良くするためには、ICだけでなく周辺部品について考慮する必要があります。

ここではICの周辺部品についての考慮事項と、注目するべきICの性能について述べていきたいと思います。

過渡応答性のための周辺部品の考慮

電源ICの周辺部品の中で、応答性に主に影響する部品として挙げられるのは出力インダクタと出力コンデンサです。

出力インダクタのインダクタンス値が小さいほど、インダクタ電流のランプスピードが速くなる分、出力電圧(出力コンデンサ)を設定値まで回復させる時間が短くなるため、応答性はよくなります。また、出力コンデンサの容量値が大きいほど、負荷急変時に補うべき電荷の変化量に対しての電圧変動を抑えることができるので、オーバーシュート、アンダーシュートは抑えられるようになります。

 

ただし、インダクタンス値を小さくするということは、インダクタ電流のpeak-to-peakは増加することになります。すなわち、出力リップル電圧の増加につながることになります。
低電圧・大電流が要求される負荷だと、この出力リップル電圧の増加が負荷の要求電圧精度を満たせない要因となり得るため、出力リップル電圧の低減についても検討が必要となります。

出力リップル電圧の低減のための対策としては、以下が考えられます。

・電源のスイッチング周波数を高くする

・周波数特性が良く、ESRの低いセラミックコンデンサを出力側に並列で多数配置する

 

同条件のインダクタで考えると、スイッチング周波数を高くすることで、インダクタ電流のpeak-to-peakを抑えることができるので、結果的に出力リップル電圧を抑えることができます。
ただし、高スイッチング周波数で動作させれば、電源回路での損失が増えるという懸念も出てきます。

 

 

スイッチング周波数を変えずに、出力リップル電圧を抑えたい場合は、ESRの低いセラミックコンデンサを並列に複数に配置する方法が一般的です。
ただし、コンデンサの数を増やせばその分リップル低減に効果がありますが、コンデンサの使用数が増える分、回路面積の増加にもつながります。

周辺部品に関してはこれらのことを考慮して設計し、過渡応答性の改善を検討します。

過渡応答性の良いICの注目性能

応答性を考慮する上では、上述の通り周辺部品の設計が重要ですが、電源ICの性能面でも注目するべきポイントがあります。

過渡応答性の良い電源ICの性能としては以下の点に注目すると良いです。

・高スイッチング周波数対応の製品

・コンパレーター制御(ヒステリシス制御)方式の製品

スイッチング周波数は高いほど、負荷急変による電圧変動に対して速く反応でき、オーバーシュート・アンダーシュートを抑えられることになるので、設定電圧まで戻る時間は短くなります。
また、上述の通り出力リップル電圧の低減にもつながります。その為、高スイッチング周波数の製品、もしくは周波数可変で高周波スイッチング可能なICを選定していただくのがお勧めです。

制御方式に関してはコンパレーター制御を採用している電源ICが、応答性に関しては有利です。

1GHzで高速に動作するCPUに対応していくためには、さらに高速の電源が必要になってきますが、従来の電圧制御や電流制御による負帰還制御では、スイッチング周波数の高速化での対応に限界が出てきてしまいます。

そこで、近年はコンパレータ制御によるON/OFF動作に移行しています。この場合、IC自体の制御応答遅延はコンパレータの応答速度のみとなるので、より高速応答に対応することができます。

 

 

おわりに

過渡応答性の考慮事項として、ICの周辺部品についてと、IC自体のスペック、制御方式について説明しました。

今回説明したところ以外でも、IC独自の制御を取り入れて、応答性を良くしていたりする製品を各社メーカーからリリースされております。ただし、周辺回路による影響もあるため、正しく比較するためには実機にて評価して、ICを決めていただくことを推奨します。

 

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