前回、前々回の昇圧コンバータに続き、「DC／DCコンバータの基礎シリーズ」第二章として、降圧コンバータの基本動作について取り上げます。
3端子レギュレータと呼ばれる電源ICを使った、リニア制御方式の電源回路は、手軽でありながら、諸特性が優れた電源です。唯一の欠点は、出力電力が一定であっても、入出力間の電圧に比例して消費電力が増大することです。出力電圧が入力電圧の半分以下の場合、負荷に供給される電力よりも電源回路自身の消費電力の方が大きくなり、「なんだかな～」といった気分になりませんか。このリニア方式の欠点のゆえに、スイッチング方式の降圧コンバータの存在価値がある、と言えるでしょう。
降圧コンバータの基本動作は、昇圧コンバータに比べて理解しやすいと思います。スイッチングによって作られた矩形波をLC平滑回路に通して直流にしている、と考えればよいからです。
１．降圧比
出力電圧が入力電圧の何割になるか、つまり、降圧比＝出力電圧／入力電圧を決めているのは、スイッチングのON時間とスイッチング周期との比率、デューティーサイクルだけです。スイッチング周波数、インダクタ値、負荷電流には関係ありません。
降圧比＝ON時間／(ON時間＋OFF時間)＝D／100
ここで、DはデューティーサイクルでON時間とスイッチング周期との比率（％）です。ダイオードの順方向電圧降下などは無視しており、インダクタ電流は連続的に流れている、としての話です。
実際には、DC／DCコンバータICを使うことが多いと思いますが、希望する降圧比が得られるかどうかは、動作可能なデューティーサイクルの範囲によります。
２．インダクタ電流
インダクタに流れる電流は、スイッチングにより、三角波となりますが、その平均電流は、以下のようになります。
平均インダクタ電流＝出力電流＝入力電流／降圧比
電力についての計算をすると、
出力電力＝出力電圧×出力電流＝(入力電圧×降圧比)×(入力電流／降圧比)＝入力電力
原理的には、電力変換効率は100％です。
インダクタ電流の三角波成分（リップル電流）は、インダクタ値に反比例、入力電圧に比例、デューティーサイクルに比例、スイッチング周波数に反比例します。リップル電流の大きさは、出力電流には関係しませんから、出力電流が小さい時に同じリップル電流比率にするためには、インダクタ値を大きくする必要があります。
３．過渡応答
降圧比は、デューティーサイクルで決まっているわけですから、入力電圧が一定であれば、負荷電流が変動しても、定常的には、出力電圧は変化しません。しかしながら、過渡的には、リンギングが発生します。
これは、インダクタと出力コンデンサで構成されるLC共振回路に誘起される減衰振動です。昇圧コンバータとは異なり、この振動周波数は、デューティーサイクルで変化するようなことはありません。
入力電圧が変動すれば、当然のことながら、出力電圧は定常的にも変動します。この場合でも、過渡応答は、負荷変動時と同様です。
今後、「DC／DCコンバータの基礎シリーズ」の第三章、第四章として、昇降圧コンバータ、反転コンバータについても取り上げていく予定ですので、掲載まで今しばらくお待ち下さい。
今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、リニアテクノロジーのサイトよりLTspiceIVをダウンロードしてご利用下さい。
