Ashok Bindra
提供部門：Electronic Products
2012-04-24
電源電圧を負荷が必要とする電圧に変換するには、基本的に2つの一般的なトポロジがあります。バックレギュレーションは入力電圧を降圧し、一方ブーストは電圧を昇圧するトポロジです。しかし、モバイル機器やバッテリ駆動のアプリケーションの多くは、第3のオプションであるバックブースト（昇降圧）である必要があります。この場合、入力電圧は、出力負荷が必要とする電圧より高い電圧から低い電圧まで、広い範囲をとることができます。
良い例として、リチウムイオン電池駆動のモバイル機器があります。その電圧は3V未満から4Vまで変動しますが、回路を構成するほとんどのICの動作電圧は3.3Vが主流です。さらに低い電圧を必要とするモバイルアプリケーションではそのため、アルカリ電池やニッケル水素（NiMH）電池2個で駆動しなければなりません。リチウムイオン電池と同様、アルカリ電池やニッケル水素電池の電圧も±10%変動することがあります。さらに、このようなシステムでは、負荷がスリープ/アイドリングモードからアクティブモードに急激に変化することがあり、このとき、回路に要求される規定の安定化電圧を供給する必要があるのです。
バックブーストコンバータの設計は、指定された出力電圧に非常に近い入力電圧を調整する必要がある場合に困難となります。長年にわたって開発されてきた回路には、図1に示すように、降圧トポロジと昇圧トポロジに共通する要素が数多くあります[1]。
図1：基本的な降圧（a）と昇圧（b）トポロジ
例えば、チャージポンプはシンプルで低コストのソリューションですが、一般的に数百ミリアンペア（mA）に制限されています。フライバックは、アプリケーション用に特別に巻かれた高価な結合インダクタを必要とし、本質的にノイズが多くなります。同様に、SEPICは効率が低くなります。SEPICコンバータは、近年、モノリシックコンデンサの開発により効率が改善されていますが、インダクタでの損失があるため、依然として効率が低いという問題を抱えています。おまけにコストが高く、サイズもモバイル用としては魅力的ではありません。
Hブリッジバックブースト
もう1つの選択肢は、Hブリッジ型バックブースト回路です。これは、図2に示すように、1つのインダクタを降圧と昇圧で共有するシンプルな回路です。この回路では、降圧部のダイオードを同期型FET（S2）に変更し、効率を向上させています。FET（S4）は、昇圧部のダイオードの代わりとなります。これらのFETは簡単に組み込むことができるため、Hブリッジバックブースト方式は非常に小型でシンプルな設計が可能であり、外付けの2つの市販コンデンサ（CinとCout）とインダクタが必要なだけです。
図2：インダクタ1個の基本的なHブリッジバックブースト回路
このようなニーズに対応するため、IntersilなどのサプライヤはHブリッジ・アーキテクチャを利用して、ISL9110やISL9112といった最先端のソリューションとなる統合型バックブーストレギュレータを開発しています。ISL9110とISL9112は、どちらも高集積のバックブーストスイッチングレギュレータで、入力電圧が出力電圧より高くても低くてもどちらにも対応できます。また、出力に大きな影響を与えることなく、自動的に動作モードが切り替わるように設計されています。両レギュレータは、完全同期型4スイッチアーキテクチャにより、優れた効率で最大1.2Aの出力電流を供給することができます。無負荷時の静止電流はわずか35μAです。スタンドアロン・アプリケーション向けに設計されたISL9110は、3.3Vと5Vの固定出力電圧、または外付け抵抗分割器による可変出力電圧をサポートしています。実際、外付け抵抗分割器を使用して、最低1Vまたは最高5.2Vの出力電圧を得ることができます。
ISL9110を使用した入力範囲1.8～5.5V、出力3.3V/1Aの典型的なアプリケーション回路を図3に示します。このように、この設計を完了させるために必要な外付けの受動素子はわずかであることに注目してください。また、スイッチング周波数が2.5MHzであるため、外付け部品のサイズをさらに小さくすることができます。
図3：統合型バックブーストコンバータは、わずかな外付け受動部品で、1.8〜5.5Vの入力範囲で3.3V/1A出力を得ることができます
図4：バックブーストコンバータISL9110は軽負荷時にも高効率を実現するように最適化されています
Texas Instrumentsも、この分野に取り組むベンダーの1つです。Intersilと同様に、TIのシングルインダクタによるバックブーストコンバータは、4 個のパワーMOSFETをオンチップに統合してスペースを節約し、動作モード間の移行をシームレスに切り替えます。例えば、TPS63060とTPS63061は、3セルから6セルまでのアルカリ電池、ニッカド電池、ニッケル水素電池、または1セルか2セルのリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池を電源とする製品向けの電源ソリューションを提供します。入力電圧範囲は2.5～12V、出力電圧範囲は2.5～8Vです。2セルのリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池を使用し、5V以下まで放電させながら、最大2Aの出力電流が可能です。バックブースト方式は、最大効率を得るために同期整流を使用する固定周波数のパルス幅変調 （PWM）コントローラをベースにしています。製品は10ピンのSON PowerPADパッケージで、サイズは3 × 3mmです。
TIは、非常に広い入力範囲に対して、電圧モード制御用のスイッチを内蔵したスイッチモードのバックブーストレギュレータTPS55065を提供しています。このコンバータは、わずかな外付け受動部品で、1.5V～40Vの広い入力電圧範囲から出力を5V ± 3%に安定化します。最大500mAの出力電流を供給できます。
Linear Technologyの非常に広い入出力電圧の対応製品は、高効率（最大98%）のスイッチモードバックブーストDC/DCコンバータLTM4609です。スイッチングコントローラ、パワーFET、およびサポートコンポーネントは、単一のLGAパッケージに収められています。この製品は、4.5～36V の入力電圧範囲で動作し、抵抗で設定した0.8V～34Vの出力電圧範囲に対応します。この高効率のμModuleデザインは、ブーストモードで最大4Aの連続電流（バックモードでは10A）を供給します。設計を完了するのに必要なのは、1個のインダクタおよび検出用抵抗、バルク入力および出力コンデンサのみです。
まとめ
携帯型モバイル機器の市場では、可能な限り小さなフォームファクタで、より高いアプリケーション性能と高いデータ転送速度が求められています。この要求に応えるため、メーカーは性能に影響を与えることなく、部品の小型化、基板スペースの縮小に積極的に取り組んでいます。バックブーストレギュレータは、安定化された出力電圧より高いまたは低い入力電圧に対応します。これは、例えば携帯電話では、電源電圧が3～4V未満で変動することがあり、一方、その回路を構成するICの動作電圧はほとんどが3.3Vであることから必要とされているものです。この記事では、いくつかのバックブーストトポロジのソリューションを検証し、Intersil、Linear Technology、Texas Instrumentsなどのメーカーの代表的な製品を紹介しました。これらの部品の詳細については、記載されているリンクからDigi-Keyウェブサイトの製品情報ページにアクセスして入手することができます。
参考文献：
- Basics of Design: H-Bridge Buck-Boost Converters by Larry Bradley and Sameer Dash, Intersil Corp.