LM2588を使用した自動車でノートパソコンを使うためのDC-DCコンバータ(電流ブースター搭載)

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マルチフェーズはCPUのマザーボードでよく使われている。この場合、ATX電源の12VをCPUが必要とする1.1V程度の電圧へ落すVRM(Voltage Regulator Module)モジュールで32フェーズなどというのも存在している。
77WのCPUの場合、CPU電圧が1.1Vとすると70Aもの電流を出力する降圧コンバータが必要となる。

採用回路

ここでは回路がシンプルとなる直接ドライブを試す

使用するN-ch MOS-FET

安売りしていた2SK2173を採用する

最大定格

記号 2SK2173 2SK2382 2SK2232 2SK2936 2SK3140
VDSS 60V 200 60V 60 60V
VGSS ±20V ±20V ±20V ±20V ±20V
ID 50A 15A 25A 45 60
PD 125W 45W 35W 35 35

電気特性

記号 2SK2173 2SK2382 2SK2232 2SK2936 2SK3140
Ciss 3350pF 2000pF 1000pF 2200pF 7100pF
Ton 55ns 50ns 30ns 25ns 60ns
Toff 180ns 66ns 130ns 320ns 540ns
RDS 0.013 0.13 0.036 0.01 0.006

データーシート

ゲートドライブ回路

MOS-FETのスイッチング特性の概要下記のページのとおりである。 MOS-FETのスイッチング特性

2SK2173がOnしている時(すなわちVDS=0V)の時の入力容量は7000pFも有る。
LM2588の発振周波数は100kHzなので制御周期は10μsである。
スイッチング損失にはRENESASのサイトに解説がある。パワーMOS FET

ターンオン

損失


VGS=10Vの時、ドレイン電圧0.2V~0.6Vの時、ドレイン電流15A~45なので、RONは0.4/30=0.013Ωとなり、
ID=6.75A VD=12Vより
100nsでターンオンした場合、0.137W 1A
200nsでターンオンした場合、0.274W 0.5A
300nsでターンオンした場合、0.411W 0.333A

オン中

損失は、0.273Wとなる。

ターンオフ


100nsでターンオフした場合、0.137W 1A
200nsでターンオフした場合、0.234W 0.5A
300nsでターンオフした場合、0.333W 0.333A

損失の総括

Ton/Toff Ton損失 on損失 off損失 合計
100ns 0.137 0.273 0.137 0.547
200ns 0.274 0.273 0.234 0.781
300ns 0.411 0.273 0.333 1.017
ターンオンとターンオフ損失は、デューティ比に関係なく発振周波数のみで決まるため、昇圧比が少なくなるほど(オン期間が短くなるほど)顕著になる。
今回のケースでは100nsでドライブできたとしてもターンオン・ターンオフの損失が半分以上を占めている。損失を減らすためには特にターンオフを高速にするか発振周波数を落すしかない。いずれにしても大容量の入力容量をドライブするのは難しい。
放熱板20℃/W程度での使用を想定すると発熱量は、300nsの時、1.017*(1+125/125+20)=22℃であり、スイッチング速度を倍程度遅くしても発熱的には問題なさそうである。

ゲートドライブIC

ゲートを積極的にドライブするにはコンプリメンタリのエミッタフォロワと反転回路が必要となり回路規模が大きくなる。ここでは回路を簡素化するために入手性のよさそうなICをピックアップし検討する。
IC名をクリックすると秋月電子通商のサイトへジャンプします
名称 形式
IR2110PBF ハイサイド・ローサイド(入力と同相出力),IO±2A 120/94ns 14DIP
IR4427PBF ローサイド2回路(入力と同相出力),IO±1.5A 85/65ns 8DIP
IR2302PBF ハーフブリッジ(ハイサイド入力と同相出力、ローサイド逆相),IO-350mA~200mA 750/200ns 8DIP
IRS2108PBF ハーフブリッジ(ハイサイド入力と同相出力、ローサイド逆相),IO-600mA~290mA 220/200ns 8DIP
反転回路がICに内蔵されている(逆相)IR2302PBFとIRS2108PBFのうち高速動作であるIRS2108BPFを使用することとする。

ダイオード

電流出力の増大に合わせてSBM1045VSS(45V 10A)を選択した。
VF=0.44Vとすると損失は、0.44*6.224*0.3514=0.962Wとなる

LM2588データーシート

LM2588データーシート 2005年7月

昇圧DC-DCコンバータ動作概要

最終回路