第2章 DC-DCコンバータとは


第1章にて パワーインダクタの特性の見方や工法による特徴の違いを説明しました。
パワーインダクタはDC-DCコンバータ等の電圧変化回路を構成する機能部品であるため、その良し悪しや定数の選定はDC-DCコンバータの動作メカニズムに基づく必要があります。本章ではDC-DCコンバータの動作メカニズムとパワーインダクタの役割について説明します。

2.1 DC-DCコンバータの概要

DC-DCコンバータとはある範囲の入力電圧を一定の出力電圧に変換する回路の総称です。 これを実現することが可能な変換方式としては、リニアレギュレータやスイッチングレギュレータがあります。また、入力電圧を降圧するのか昇圧するのかによっても回路構成は様々であり、その種類は多岐にわたります。



 
図2-1 DC-DCコンバータの定義

 

2.2 DC-DCコンバータの必要性

DC-DCコンバータが必要になるのは電源回路に限られます。CPUやメモリ、LED等のデバイスは、機能するために様々なDC電圧が必要となります。ところが、例えばモバイル機器などで使用されるリチウムイオン電池の場合、電源であるバッテリー電圧は約3.7Vしか出力できません。これらの電圧の違いを調整するためにDC-DCコンバータが必要になります。ほとんどの電子機器においてDC-DCコンバータは必須であり、多数用いられるのが一般的です。 


 
図2-2 DC-DCコンバータの必要性

2.3 DC-DCコンバータの分類

DC-DCコンバータはリニアレギュレータとスイッチングレギュレータに分類できます。


 
図2-3 DC-DCコンバータの分類


2.3.1 リニアレギュレータの原理

リニアレギュレータは最も単純な方式で、抵抗を使った分圧により電圧を変換します。例えば入力電圧の半分を出力電圧としたい場合は、負荷抵抗とレギュレータの可変抵抗を等しくすることで半分に分圧することができます。


 
図2-3-1 リニアレギュレータの原理


本方式は単純で安価である一方で、抵抗を用いており入出力の電位差が大きいほど電力損失が大きい(効率が悪くなる)という欠点があります。そのため、モバイル機器等のバッテリーの持ち時間を悪くします。さらに、損失による発熱抑制の目的で冷却機構を設ける場合もあります。したがって、消費電力が小さかったり入出力の電位差が小さい場合に使用されることが多く、比較的消費電力の大きな回路のほとんどは次のスイッチングレギュレータが使用されています。


2.3.2 スイッチングレギュレータの原理

スイッチングレギュレータは、スイッチ素子とインダクタやコンデンサ等の機能部品を組み合わせた回路で構成されます。スイッチのON/OFFを高速で切り替えることで出力電圧を調整することが可能で、理想的には電力損失なしで電圧を変換します。


 
図2-3-2 スイッチングレギュレータの原理


本方式はさらに絶縁型と非絶縁型に分かれます。絶縁型のスイッチングレギュレータは、入力電圧(1次側)と出力電圧(2次側)がトランスにより絶縁されている方式のことです。高電圧な回路を変換する場合に、感電や漏電を防止するために使用されます。非絶縁型は 絶縁型に対する対比としての呼称で、トランスを用いずに入力と出力の間が絶縁されていない方式のことを言います。バッテリーを用いるモバイル機器や車載のほとんどは、電圧が低いため非絶縁型のDC-DCコンバータが使用されています。 


目次:第2章 DC-DCコンバータとは
  2.1 DC-DCコンバータの概要
2.2 DC-DCコンバータの必要性
2.3 DC-DCコンバータの分類

2.4 DC-DCコンバータの使用例

2.5 DC-DCコンバータの動作原理