大電流DCDCコンバーターの課題と解決策

電流増加に伴い、インダクタやFETも定格の大きい製品となり、サイズが大きくなります。
これにより実装面積が増加し、重量増によるマウンタの制限や筐体の高さ制限、振動対策の必要性も発生します。

入力リップル電流の増加によりノイズが増大し、入力コンデンサーやフィルターの複雑化、放射ノイズ対策のコスト増加につながります。

インダクタのDCRやFETのオン抵抗による損失は電流の2乗に比例するため、大電流時には発熱が大きくなり、ヒートシンクの大型化や強制冷却などの熱対策が必要となります。

図3に示す2フェーズ動作波形のように、インダクタ電流IL1とIL2を合算した出力リップル電流は、各出力のスイッチング周波数の2倍となります。このように、マルチフェーズでは出力リップル電流の周波数を「各出力のスイッチング周波数 × フェーズ数」に高めることができ、結果として出力リップル電流を減少させることが可能です。出力リップル電流が減少することで、出力リップル電圧も低減し、出力コンデンサーの小型化が可能となります。
また、出力リップル電流の減少によりインダクタンス値を下げることができ、小型のインダクタを選択することも容易になります。
さらに、インダクタンス値が下がることで出力電流のスルーレートが向上し、負荷過渡応答の改善にもつながります。
加えて、出力リップル電流はデューティ比（降圧回路の場合はVout/Vinに近似）にも影響を受けます。出力リップル電流とデューティ比の関係は図5に示されています。フェーズ数とデューティ比によっては、出力リップル電流がゼロになる場合もあります。したがって、入力電圧と出力電圧が比較的一定の場合、最適なフェーズ数を選択することで出力リップル電圧を最小化することが可能です。

図5　出力リップル電流 vsデューティ比
(引用：アナログ・デバイセズ　AN77)

図6に示すように、降圧DCDCコンバーターの入力電流は不連続となり、大電流DCDCコンバータではこの入力リップル電流が大きなノイズ源（伝導ノイズ）となります。
2フェーズ構成時の入力リップル電流は図7に示しています。マルチフェーズ方式を採用することで、入力リップル電流の周波数はフェーズ数倍となり、電流値も減少します。これによりノイズを低減でき、入力フィルターの設計も容易になります。
リップル電流の減少は、部品の小型化や数量削減、さらにコンデンサーのESRによる損失低減にもつながり、結果として部品寿命の延長が可能となります。

図6　降圧DCDCコンバータ 入力電流(シングルフェーズ動作)

図7　降圧DCDCコンバータ 入力電流(2フェーズ動作)

複数のフェーズに電流を分担することで、1フェーズあたりの電流が減少します。その結果、インダクタのDCRやFETのオン抵抗による損失を低減することが可能です。さらに、部品の定格電流の要求値も下がるため、小型かつ低背なインダクタやFETの採用が可能となります。