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ブーストコンバータ設計計算ツール

ブースト（ステップアップ）DC-DCコンバータ設計のデューティサイクル、インダクタ値、および出力コンデンサの計算

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公式

D = 1 - V_in/(V_out×η), L = V_in×D/(ΔI_L×f_sw)

参考: Erickson & Maksimovic, "Fundamentals of Power Electronics" 3rd ed.

D — Duty cycle
V_in — Input voltage (V)
V_out — Output voltage (V)
η — Efficiency
f_sw — Switching frequency (Hz)
ΔI_L — Inductor current ripple (A)

仕組み

ブースト（ステップアップ）DC-DCコンバータは、入力電圧をより高い出力電圧に上げるスイッチング電源コンバータのトポロジです。スイッチのオン時間中はインダクタにエネルギーを蓄え、オフタイムにはそのエネルギーを出力に放出することによって動作します。基本原理は、スイッチング素子が開いて入力より高い電圧を生成しても、インダクタが電流の流れを維持できることに依存しています。主な設計パラメータには、効率的な電力伝達と電圧/電流リップルの最小化を実現するためのスイッチング周波数、デューティ・サイクル、部品選択などがあります。

計算例

入力電圧が5V、出力が12V、出力が2A、電力が100kHz、リップルが 5% という設計を考えてみます。まず、D = 1-(Vin/Vout) = 1-(5/12) ≈0.58を使用してデューティ・サイクルを計算します。インダクタの計算には、L = (Vin * (1-D))/(fsw * ΔIL) を使用します。ここで ΔIL はピークツーピーク電流リップルです。リップルが 5% の場合、ピークツーピーク電流は 2A * 0.05 = 0.1A になります。L を計算すると約 138 μH になります。出力コンデンサを選択するには、ESR とリップル電圧 (通常は 100 ～ 470μF の範囲) を考慮する必要があります。

実践的なヒント

  • ✓性能を向上させるには低ESRコンデンサを使用してください
  • ✓電圧/電流マージンが十分にある部品を選択
  • ✓短いトレース長で適切なPCBレイアウトを実装

よくある間違い

  • ✗インダクタの飽和電流を無視する
  • ✗スイッチとダイオードの電力損失の見落とし
  • ✗不適切な熱管理
  • ✗電磁干渉に関する考慮事項を無視

よくある質問

効率は、スイッチの品質、部品の損失、および動作条件によって異なります。適切に設計されたコンバータの場合、標準効率は 85～ 95% です。
周波数が高くなると、インダクタを小さくできますが、スイッチング損失が増加します。通常、100kHz～500kHzはほとんどのアプリケーションに適しています。
最新のブーストコンバータは、適切な設計とフィードバック制御により 2:1 ～ 10:1 の入力変動を処理できます。
補償が不十分だったり、フィードバックループ設計が不十分だったり、部品の許容誤差があったりすると、発振や予期しない動作が発生する可能性があります。
電流制限回路を実装し、電流検出抵抗を使用し、ヒカップモードなどの適切な保護メカニズムを使用して設計します。

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