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スイッチングレギュレータ出力リップル計算ツール

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

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公式

ΔIL=(Vin−Vout)×D/(L×f),ΔV≈√(ΔVC2+ΔVESR2)ΔI_L = (V_in − V_out) × D / (L × f), ΔV ≈ √(ΔV_C² + ΔV_ESR²)
D— デューティサイクル
L— インダクタンス (H)
f— スイッチング周波数 (Hz)
C— 出力キャパシタンス (F)
ESR— 等価直列抵抗 (Ω)

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×fsw×Cout)) とESRベースの (ΔVesr = ΔIL × ESRという2つの要素があります。ESRが10 mΩ 2 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、50-500 mΩ ESR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ではインダクタ電流リップル ΔIL = Vout× (1-D)/(fsw×L) が規定されており、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未満で20AのFPGAコア電源用に、12V～1.0V バックコンバータを設計してください。ステップ 1: インダクタリップルの設定 — 出力の 30% を目標: ΔIL = 6 A p-p。500 kHz では、D = 1/12 = 0.0833 になります。L = 1.0× (1-0.0833)/(500k×6) = 305 nH。330 nH (Vishay IHLP-5050) を使用してください。ステップ 2:10 mV のコンデンサ要件の計算 — 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:10個の並列コンデンサ= 0.3 mΩ 有効。 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

TI SLVA630によると、リップルソース：（1）インダクタ電流リップル充電/放電出力コンデンサ— ΔVc = ΔIL/(8×fsw×C), （2）出力コンデンサESR — ΔVesr = ΔIL × ESR、（3）スイッチング遷移時の出力コンデンサESL — ΔVesl = ESL×dI/dt。セラミック・コンデンサを使用した500 kHzでは、容量性リップルが70～ 80%、ESR が 15 ～ 25%、ESL が 5 ～ 10% を占めるのが一般的です。
アナログ・デバイセズのAN-1471によると：(1) スイッチング周波数を上げる — 同じLC値でfswがリップルを半分にする、(2) 出力容量を増やす — リップルを半分にする、(3) 低ESRコンデンサを使用する — セラミックMLCC (2-10 mΩ) vs) 電解コンデンサの比較 (50-500 mΩ), ) (4) インダクタンスを増やす — ΔIL は減少するが過渡応答は遅くなる、(5) 追加ポストレギュレータ — フェライトビーズ+コンデンサまたはLDOにより、さらに40～60dBの減衰が得られます。
業界標準準拠:デジタル負荷 (CPU、FPGA): 出力の 1% 未満 (インテル/AMD VRM仕様では1.0Vレールで10mV)。アナログ/RF 回路:0.1% 未満 (ADC メーカーの仕様では 3.3 V で 3 mV 未満)。メモリ (DDR4/5): JEDEC 規格準拠で ± 1.5%オーディオ:10 mV 未満の場合、60 dB の SNR 低下を防ぐことができます。LED ドライバ:照明の場合は 5 ～ 20%、ビデオ/写真では 2% 未満が許容範囲です。
リップルは周波数に反比例します： ΔV ∝ 1/fsw。周波数を 500 kHz から 1 MHz に倍増すると、同じ LC 値でリップルが半分になるか、同じリップルでインダクタを 2 倍小さくすることができます。トレードオフ:スイッチング損失は周波数に比例して増加します。TI設計ガイドによると、最適な周波数では、効率 (低fswを優先) とサイズ/リップル (fswが高い方が優先) のバランスが取れます。DC-DCコンバータでは通常200kHz～2MHzです。
村田製作所とTDKのアプリケーションガイドによると、リップル性能でランク付け：（1）MLCCセラミック（2-10 mΩ ESR、最高のHF性能だが、DCバイアスディレーティングと限られたバルク容量）、（2）ポリマーアルミニウム（8-20 mΩ, バランスが良い）、（3）SP-Cap/POSCAP（5-15 mΩ, 高容量密度）、（4）タンタル（50）-200 mΩ, サージ定格)、(5) アルミ電解 (100-500 mΩ, 大容量ストレージのコスト/サイズが最も低く、HFリップルを避ける)。

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