スイッチングレギュレータ出力リップルカリキュレータ
スイッチングレギュレータ設計におけるバックコンバータの出力電圧リップル、インダクタ電流リップル、およびESRの寄与を計算
公式
仕組み
スイッチングレギュレータリップルカリキュレータは、デジタル負荷電力供給、ミックスドシグナルシステム、およびEMCコンプライアンスに不可欠なSMPS設計の出力電圧リップル、インダクタ電流リップル、およびコンデンサの要件を決定します。パワー・エレクトロニクス・エンジニア、FPGA設計者、車載電子機器開発者は、厳しいリップル仕様を満たすためにこのツールを使用しています。エリクソン＆マクシモビッチの「パワーエレクトロニクスの基礎」によると、出力電圧リップルには、容量性（ΔVc = ΔIL/（8×FSWCout））とESRベース（ΔVESR = ΔIL × ESR）の2つの要素があります。ESRが10mΩ未満のセラミックコンデンサでは、容量性リップルが優勢です。ESRが50～500mΩのアルミニウム電解コンデンサでは、ESRリップルが優勢です。このアプリケーションノートでは、SLVA630はインダクタ電流リップルΔIL = Vout× (1-D)/(fSwL) と規定しており、通常はDC負荷電流の20～ 40% を対象としています。最新のプロセッサでは、タイミングマージンの低下を防ぐために10mV未満のリップルが必要です。インテルVR14では、1.0Vのコアレールに対して±5mVの静的許容誤差と±25mVのトランジェントが規定されています。村田製作所のコンデンサアプリケーションガイドによると、X5R/X7Rセラミックは定格DC電圧で50～ 80% の容量を失います。リップルの計算では、セラミックコンデンサの値は常に2〜3倍低下します。
計算例
リップルが10mV未満の20AのFPGAコア電源用に、12V～1.0Vのバックコンバータを設計します。ステップ 1: インダクタリップルの設定 — 入出力の 30% を目標:ΔIL = 6 A p-p500 kHz では、D = 1/12 = 0.0833 になります。L = 1.0× (1-0.0833)/(500k×6) = 305 nH。30 nH (Vishay IHLP-5050) を使用してください。ステップ 2:10 mV のコンデンサ要件を計算します。容量性リップル:COUT_Min = 6/ (8×500k×0.01) = 150 µF。ステップ 3: コンデンサの選択 — 10×22 µF/6.3V X5R セラミック (公称値220 µF、DC バイアスディレーティング後は有効値 120 µF) を使用します。ESRの寄与:並列接続されたコンデンサ10個 = 実効値 0.3 mΩ。ΔVESR = 6 A × 0.3 mΩ = 1.8 mV。総リップル = √ (8² + 1.8²) ≈8.2 mV (仕様内)。ステップ 4: トランジェント応答の検証 — 100 ns で 15 A の負荷ステップを実行した場合、ΔV = L×Δi/VOUT = 330 nH × 15/1.0 = 4.95 µs のドループ時間。50 mV 未満のトランジェントを実現するには、330 µF のバルク・コンデンサを追加してください。
実践的なヒント
- ✓インテルのVR設計ガイドによると、ハイブリッド出力コンデンサ戦略を使用してください。高周波リップルフィルタリング (<1 MHz) にはMLCC、バルク・エネルギー・ストレージと過渡応答にはSP-CapまたはPOSCAP、中間周波数にはポリマー・コンデンサ
- ✓超低リップル（<1 mV）アプリケーション向けに出力にパイフィルタ（L-C-L）を追加 — TI TPS7A8300ポストレギュレータはSMPS後の15µV RMSノイズを実現
- ✓出力コンデンサを負荷ICの電源ピンから5 mm以内に配置します。トレース長が10 mmの場合、10 nHの寄生インダクタンスが加わり、50 A/µsの負荷ステップで500 mVのスパイクが発生します
よくある間違い
- ✗セラミックコンデンサの公称値（1.0 V DC バイアスで22 µF/6.3V X5R）を使用しても、保持できるのは60～ 70%（実効値13〜15 µF）だけです。必ずメーカーのDCバイアス曲線を確認するか、X7R誘電体を使用してください
- ✗高周波ではESRを無視 — アルミ電解ESRは100Hzから100kHzに2～5倍に増加。100Hzのカタログ値ではなく、スイッチング周波数ではデータシートのESRを使用してください
- ✗定格条件でのリップルの計算のみ — ワーストケースのリップルは、インダクタの電流リップルが最も大きい最大デューティサイクル (最小Vin) で発生します
よくある質問
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