BUCKコンバータ 間欠発振

質問

PWMのBUCKコンバータICにて、通常100KHｚでスイッチングしているんですが、低温状態になるとその半分とか1/4だとのスイッチング周波数になってしまいます。（常温では問題ありません。）

これってループの安定度が低いからなんでしょうか？それとも消費電流の関係なんでしょうか？どなたかメカニズムに詳しい方教えてください。

回答No.11

xpopo

>出力側のキャップ（この場合2.2uF）のキャップでゼロなるものを作る事ができて
>ゼロは位相のズレを修正してくれるとの事なんですが、これってこの回路の場合
>当てはまるんでしょうか？例えば2.2uFから4.7uFとか10uFに変更すると良くなるとか。。。

この回路の場合、前の回答で添付しました回路図でC2(2.2uF）とC2(2.2u）Fにシリーズ
に挿入されている抵抗、ESR_C2（5mΩ）の積で決まる時定数の逆数がゼロ周波数に
相当します。つまり、既に織り込み済みという事になります。

　このゼロの効果はC2とそのC2に接続されている前段からの抵抗でできるポール
周波数（この場合はリップルフィルタ構成になっていますのでポールの周波数は
概略１／ｈFEになっていますが。）で位相が-45度まで遅れ周波数の増大にしたがって
-90度に向かいます。周波数がゼロ周波数（この場合は１／（2*π*C2*ESR_C2)=14MHz
に近づくにつれて位相は戻り始めて14MHzで-45度まで戻り、周波数が更に上がると
位相は0度に向かいます。シミュレーションでは2.2uFを積層セラミックコンデンサ
としましたので、ESRは5mΩと小さい値を使用しました。もし、これが電解コンデンサ
だとESRは２桁近く大きくなりますがそれでもゼロの周波数は140kHzあたりとなります。
オープンループでゲインが０ｄBを交差する周波数（13kHz）でのオープンループの
位相は-180度よりマイナスに大きな値になっています。ループを安定にするには
オープンループの位相を-180度から遠ざける必要があります。2.2uFのゼロは位相を
-180度に近づける方向の効果になりますので、アルミ電解コンデンサにしてゼロ
周波数をオープンループの０ｄB交差周波数に近づけることはオープンループの位相を
-180度に近づけてしまう結果になり逆効果となってしまいます。

　この回路でゼロの効果で一番効いているのはLの後ろにある100uFのアルミ電解
コンデンサです。ESRは低温で500mΩとしましたので、ゼロは3.2kHzになりますので
オープンループの0dB交差周波数に近くオープンループでの全体の位相を-180度に
近づけてしまう作用を発揮してしまってます。

　この100uFのコンデンサをESRの小さいOSコンデンサにすることでゼロ周波数は10倍
以上高い周波数（約32kHz）になり０ｄB交差周波数近傍（13kHz）での位相を-180度
から遠ざけることができて位相余裕が増し、ループの安定性が向上することになります。

お礼

xpopoさん、本当にご親切にありがとうございました。
電源回路奥深いですね。

回答No.10

xpopo

>添付頂いたシミュレーション結果について質問なんですが、オープンループとクローズループ両方
>の>結果がありますが、私の懸念してる事象に対してはオープンループの方を参考とすれば良いん
>ですね？(お手数でなければ何故？）

　え～と、オープンループはループの安定度合いを調べるために使います。低温では100uFの電解
コンデンサのESRが大きくなると（シミュレーションではESR=500mΩとして計算してます）オープン
ループのゲインが０ｄBに交差する周波数は13kHzでその周波数でのオープンループの位相が
-193度になります。この位相は-180に対して13度の余裕があることになります。即ち、
位相余裕＝13度です。
　位相余裕が13度になっているこのループの実際の帰還がかかっている動作時の周波数特性
（クローズドループのゲインの周波数特性）には周波数１３ｋHzで１３ｄBものピークが現れて
しまいます。出力はこの周波数で振動しやすくなっていることになります。低温で不安定になって
いるときに出力の変動周波数は実際いくらぐらいでしたか？多分、13kHzに近い周波数ではありま
せんでしたか？
　結局、オープンループはループの安定性判別に使用して、クローズドループはその結果としての
実際のループの特性を確認するのに使用します。

>解像度が低いので文字が見えないのですが、位相余裕が13°とある様に見えるのですがこれは
>低温時のシミュレーション結果だと思いますが、位相余裕が0°以上あったとしても回路は発振
>（不連続モード）してしまうものなんですか？ちなみに常温時（ESR低時）の位相余裕はどれ位
>あるんでしょうか？

　位相余裕は13度です。これは低温時を想定したときのシミュレーションで100uFの電解コンデンサ
のESRが500mΩの大きさに増大した状態をシミュレーションした結果です。
　位相余裕は小さくなればなるほど、クローズドループでのピークゲインが大きくなります。
ちなみに、位相余裕が45度でピークゲインは+2dB、30度で+6dB、15度で+12dB、10度で+15dB、
5度で+21ｄB、0度で無限大（発振状態）という関係になります。ピークゲインが６ｄBを越えた
あたりからは不連続モードが発生してもおかしくないと思います。

>ちなみに常温時（ESR低時）の位相余裕はどれ位あるんでしょうか？

　常温時はESRを100mΩとしてシミュレーションしてみましたが、その場合の位相余裕は54度
でした。位相余裕が54度のときはピークゲインは１ｄBしかありませんので十分安定です。

添付した図が不鮮明でしたので文字を大きくして見やすくしたもの（低温時のシミュレーション
結果）を再度添付しておきます。

補足

ありがとうございます。

も１つ質問させて下さい。
ウェブで見たんですが、出力側のキャップ（この場合2.2uF）のキャップでゼロなるものを作る事ができてゼロは位相のズレを修正してくれるとの事なんですが、これってこの回路の場合当てはまるんでしょうか？例えば2.2uFから4.7uFとか10uFに変更すると良くなるとか。。。

回答No.9

xpopo

>添付頂いたシミュレーション結果について質問なんですが、オープンループとクローズループ両方
>の>結果がありますが、私の懸念してる事象に対してはオープンループの方を参考とすれば良いん
>ですね？(お手数でなければ何故？）

　え～と、オープンループはループの安定度合いを調べるために使います。低温では100uFの電解
コンデンサのESRが大きくなると（シミュレーションではESR=500mΩとして計算してます）オープン
ループのゲインが０ｄBに交差する周波数は13kHzでその周波数でのオープンループの位相が
-193度になります。この位相は-180に対して13度の余裕があることになります。即ち、
位相余裕＝13度です。
　位相余裕が13度になっているこのループの実際の帰還がかかっている動作時の周波数特性
（クローズドループのゲインの周波数特性）には周波数１３ｋHzで１３ｄBものピークが現れて
しまいます。出力はこの周波数で振動しやすくなっていることになります。低温で不安定になって
いるときに出力の変動周波数は実際いくらぐらいでしたか？多分、13kHzに近い周波数ではありま
せんでしたか？
　結局、オープンループはループの安定性判別に使用して、クローズドループはその結果としての
実際のループの特性を確認するのに使用します。

>解像度が低いので文字が見えないのですが、位相余裕が13°とある様に見えるのですがこれは
>低温時のシミュレーション結果だと思いますが、位相余裕が0°以上あったとしても回路は発振
>（不連続モード）してしまうものなんですか？ちなみに常温時（ESR低時）の位相余裕はどれ位
>あるんでしょうか？

　位相余裕は13度です。これは低温時を想定したときのシミュレーションで100uFの電解コンデンサ
のESRが500mΩの大きさに増大した状態をシミュレーションした結果です。
　位相余裕は小さくなればなるほど、クローズドループでのピークゲインが大きくなります。
ちなみに、位相余裕が45度でピークゲインは+2dB、30度で+6dB、15度で+12dB、10度で+15dB、
5度で+21ｄB、0度で無限大（発振状態）という関係になります。ピークゲインが６ｄBを越えた
あたりからは不連続モードが発生してもおかしくないと思います。

>ちなみに常温時（ESR低時）の位相余裕はどれ位あるんでしょうか？

　常温時はESRを100mΩとしてシミュレーションしてみましたが、その場合の位相余裕は54度
でした。位相余裕が54度のときはピークゲインは１ｄBしかありませんので十分安定です。

添付した図が不鮮明でしたので文字を大きくして見やすくしたもの（低温時のシミュレーション
結果）を再度添付しておきます。

回答No.8

xpopo

回答NO.6で説明した　RBUC（47kΩ）を小さする　方法ですと、ループの
制御帯域が数十Hzと低くなりすぎてしまいそうなので実用的では無いこと
がわかりました。オープンループのシミュレーションを走らせて見ました。
結果を添付しました。

　低温で不安定になる原因は、CBU1（100uF）の内部の直列等価抵抗（ESR)が
低温で値が大きくなり、その結果、位相余裕が少なくなってしまい、結果
不安定になっているようです。現在お使いのコンデンサCBU1（100uF）は
アルミ電解コンデンサだと思いますが、その場合ESRの値は大きく、かつ
負の温度特性を持ちますので低温でESRが大きくなります。

　対策としては、ESRの小さなOSコンデンサを使用することです。その場合、
OSコンデンサの耐圧は１５V以上（使用バイアス電圧（５V)の3倍以上の
耐圧が信頼性上必要です。）のものを使用すれば良いかと思います。OS
コンデンサのESRは50mΩ以下と考えられますから、その場合は低温でも
十分な位相余裕が確保できて安定性は保証されると思います。

　添付のシミュレーシャン結果は左の軸がゲインを示し、右の軸が位相を示し
ます。位相は負帰還の場合ですので180度が基準です。言い換えれば、表示
の位相から180度を引き算して読んでください。ちなみに0度の位置が-180度
に相当します。
　IC内部のエラーアンプのゲインとPWM変換ゲインは推定で設定してありますので
正確な値ではありません。大体合っているとは思いますが。

　今回の不安定性の原因はノイズ対策でリップルフィルタをループの中に
入れたために位相の回転が更に90度近く加わったためです。リップルフィルタ
を取り去って標準のアプリケーション回路に戻せば安定性は確保できますが
リップルフィルタは削除できないだろうと思いOSコンデンサへの変更を提案
しました。これで何か問題があるようでしたら、お知らせください。

補足

xpopoさん、ありがとうございます。何てお礼を述べれば良いやらって位感謝です。

OSコンを入手して早速試してみます。

添付頂いたシミュレーション結果について質問なんですが、オープンループとクローズループ両方の結果がありますが、私の懸念してる事象に対してはオープンループの方を参考とすれば良いんですね？（お手数でなければ何故？）
解像度が低いので文字が見えないのですが、位相余裕が13°とある様に見えるのですがこれは低温時のシミュレーション結果だと思いますが、位相余裕が0°以上あったとしても回路は発振（不連続モード）してしまうものなんですか？ちなみに常温時（ESR低時）の位相余裕はどれ位あるんでしょうか？
（先日教えて頂いたLTSPICE早速ダウンロードしてxpopoさんのシュミレーション回路コピーしようかと試行錯誤しておりますがまだまだで。。。）

次々に質問となり申し訳ないですが、宜しくお願いします。

回答No.7

xpopo

Lとリップルフィルタ部分のシミュレーション結果のボード線図
を添付します。上のグラフで実線がゲインで点線が位相を表します。

回答No.6

xpopo

>100UFの電解コンデンサ使用しています。リップルフィルタの入力はLとCの間に繋がっています。

そうですか。この場合、インダクタンスLBUCのIC出力側からリップルフィルタのOutまでの伝達
関数の周波数特性は、周波数１ｋHzが遮断周波数になり、位相は１ｋHz近くで0度から-240度
近くまで一気に回ってしまいます。オープンループのゲインが０ｄBに交差する周波数でオープン
ループの位相がー180度に対して少なくとも45度以上余裕がないとクローズドループで発振や
不安定になってしまう危険性が高くなります。ですから、－180度＋45度＝-135度以内に位相回転
が収まるようにループを補償する必要があります。この場合、０ｄB交差周波数を１ｋHzより
低くすれば位相回転に余裕を持つことが可能になります。（オープンループ全体でLCフィルタ＋
リップルフィルターブロックでの位相の回転が支配的ですので、このブロックで位相が急激に回る
周波数１ｋHz以下の周波数で０ｄB交差するように全体のループゲインを下げます。
方法はRBUC（47kΩ）を小さくします。その際、CBUCはCBUC＝47kΩ×470nF／RBUCの値に変更します。

>ちなみにボード図のシュミレーションとはどの様にやるんですか？何か特別なソフト必要ですか？

ループの部分的なブロックも全体のオープンループもSPICEを使ってシミュレーションすることが
可能です。SPICEは無料のLT　SPICEなどで可能です。ただし、IC内部の誤差アンプのゲインや
PWM生成に使われている三角波のp-p値などが必要になります。

>フェーズシフトと０dB交差周波数の関係が重要だと聞きましたがこれと関係あるんでしょうか？

はい、オープンループ伝達関数のゲインが０ｄBになる周波数でオープンループの位相が－180度
からどれだけ離れているかで系の安定性が決まりますので、重要です。

回答No.5

xpopo

こんばんわ。すみません、昨日は会社新年会で飲んで遅くなってしまいましたので
お返事を差し上げられませんでした。

　では、lifeisgood0427さんからの補足で、エミッタフォロワとおっしゃっていた
回路は正確にはエミッタフォロワーではなくてリップルフィルターだということが
分かりましたので私のNO.3の回答は的外れな内容でした、という事になります。リップル・
フィルターですのでDCDCコンバータ電源の出力電流（150mA）はリップルフィルター
を経由して負荷に流れますので、負荷は軽くはならないことになります。ですから、
不連続モードになる要因にはなりにくいと考えられます。

　それから、LCフィルターのインダクタンスLBU（220uH）の後ろにはIC（TLE6711）
のデ－タシートのFigure12（Application Circuite）に載っているCBU1（100uF）は
対GNDに向かって接続されてますでしょうか？確認願います。

　これまでの情報から、スイッチング周波数が低温で歯抜けになるのは負荷電流が
少なくなるのは原因ではなく、制御ループが不安定になった結果起きているように
思えます。もし、CBU1(100uF）が使用されていた場合にはループの位相余裕は殆ど
なくなってしまいますので制御ループは不安定になる可能性が非常に高くなります。

　一応、インダクタンスLBUを含めたリップルフィルタのボード線図をシミュレーション
してみましたがCBU1(100uF）を使用されていない場合はｆｃが1.8kHzのローパスフィルタ
特性を示しますが、スイッチング周波数100kHzの1/10の周波数（10kHz)での減衰量は
わずか-15dBしかありませんでした。制御のオープンループの０ｄB交差周波数は
少なくともスイッチング周波数の1/10い以下にする必要があります。IC（TLE6711）の
データシートに三角波のピーク・トゥ・ピーク電圧が載ってませんので、正確な
オープンループゲインが計算できませんが、ループゲインが高すぎる状態になって
いる可能性も否定できません。ゲインを下げて安定になるか調べてみる必要があり
そうです。

　ループゲインを下げるにはICのBUC端子に接続している抵抗RBUC(47k）とコンデンサ
CBUC（470n）の積を一定になるようにしてRBUC（47k）を小さくします。ゲインを20dB
下げてみる場合はRBUCを4.7kにしてCBUCを4700nFにします。これで安定になるよう
でしたらゲインの下げ量をすくなくしてゆき、不安定になる限界のゲインを調べます。
その限界が見つかったら、最終的にそのゲインより少し低いゲインになるようにRBUC
とCBUCを決めます。

　いずれにしてもCBU1（100uF）を使ってるかどうかが重要ですので確認結果をお知らせ
ください。

補足

気に掛けて頂き感謝です。

回路初心者なので言葉知らずですみません。

100UFの電解コンデンサ使用しています。リップルフィルタの入力はLとCの間に繋がっています。

ちなみにボード図のシュミレーションとはどの様にやるんですか？何か特別なソフト必要ですか？フェーズシフトと０dB交差周波数の関係が重要だと聞きましたがこれと関係あるんでしょうか？

回答No.4

tadys

電源用ICでは使用する部品の値が同じものを使っていても動作が異なる場合が有ります。
コンデンサの場合ではESRの違い、温度特性の違い、電圧による容量の変化等など、
一見同じに見えて振る舞いに差が出る場合が有ります。
容量の大きいコンデンサは温度特性の悪いものや、電圧による容量の変化が大きいものが多いです。
コイルやコンデンサを示す時は型番の全てを述べないといけません。

電源用ICはパスコンの性能が良すぎると不安定になる場合が有ります。
性能が良すぎるとフィードバックの電圧（出力電圧）の高域成分が小さくなる為です。
その為セラミックコンデンサの使用を禁じているICもあります。
わざわざ「セラミックコンデンサ使用可」などと書いている場合も有ります。

気になったのはエミッタフォロワを追加している点です。
TLE6711には電流リミッタ回路が入っていますが、エミッタフォロワを入れることでこの回路が働かなくなります。
（Buck Converter Block DiagramのPin9の下の Rsense 18mΩ）
リミッタ回路が働かないと出力電圧が必要以上に上がってしまい、間欠動作になる事が有ります。

スイッチング電源の場合は部品と基板パタンのレイアウトも重要です。
出来るのであれば、データシートの回路例に書いてある通りの回路と部品（メーカー／型番）を使って試験してみるのがいいと思います。
と言っても、コンデンサの型番は出ていないか。

回答No.3

xpopo

ICの型名が分かりましたのでデータシートを確認できました。やはり
このIC（TLE6711）には不連続モードに対応する機能は搭載されていない
ようですね。

　次に補足していただいた情報の中に

>出力ノイズを抑える為にエミッタフォロワーを出力側に追加しています。

とありますが、本当ですか？もしそうなら、Buckコンバータの負荷電流は
そのエミッタフォロワーのベース電流だけとなりますが。
ちょっと信じられないんですが、負荷電流の１５０ｍAは殆どそのエミッタ
フォロワーのコレクタ電流で供給することになってしまい、せっかくBuck
コンバータで電力損失を低く抑えていたのに、エミッタフォロワーの
トランジスタで電力損失（エミッタフォロワーのトランジスタのVCE×IC）
を発生させてしまうことになります。本当でしょうか？

　次に、上記のエミッタフォロワーの使用が本当でしたら、Buckコンバータ
の出力の実際の負荷電流は非常に小さくなりますので必要なPWMのONデューティー
は非常に小さくなり、不連続モード（この場合はPWM波形が歯抜けになるような
動作）になる可能性が大きくなります。

　温度が低くなると発生する理由は、PWMドライブを行っているIC内蔵のパワー
DMOSのＯＮ抵抗の温度特性が正のため、低温でＯＮ抵抗が低くなる。また出力の
ＬＣフィルタのＬのＤＣＲも銅線ですので温度係数が正で低温でＤＣＲは小さく
なる。結果、ＰＷＭのＯＮ時の抵抗は温度が下がれば下がるほど小さくなります
のでＰＷＭのＯＮデューティーも温度が高いときの同じＯＮデューティーより
ドライブ能力が上がってしまうため、制御系全体の動きの結果としてＯＮデューティー
を更に小さくする方向に動作します。結果として、ＯＮデューティーの限界
にいたってしまえば、ＰＷＭ出力は不連続状に陥ってしまう可能性が出てきます。

ということですので、エミッタフォロワーの部分をもっと詳しく説明して
いただけませんか？

補足

http://www.op316.com/tubes/tips/b390.htm
エミッタフォロワは上記URL図9と同様の回路で、下記の乗数です。
-13KΩ　→　402Ω
-270KΩ　→　0.22UF
-22UF　→　47ｋΩ
-Tr　→　BCX55-16
-エミッタ側のRは無
-Coutは2.2U
-Inの部分がLの後に接続
-Outの部分は負荷及びICのフィードバックに接続

宜しくお願いします。

回答No.2

xpopo

負荷電流が150mAも流れているなら、制御ループが安定な場合は不連続モードに
なるのは考えにくいです。この現象が起きている時は出力電圧は常温時に比べて
大きく変動してしまってませんか？制御ループが安定な状態で負荷が軽くなりす
ぎた場合に起きる不連続モードですと出力の変動（振動）は問題になるほど大きく
はならないのが普通です。

　使用されているICはTLEシリーズとしか書かれておりませんのではっきりしませんが
メーカーはInfineon社でしょうか？このメーカのDCDCコンバータ電源ICに
５V固定出力の TLE8366EV50　というのがありますがこのICでしょうか？この
ICのデータシートを見てみましたが、このICには不連続モードへの対応機能が内臓
されてないようです。その場合はループの安定度が低い可能性が高くなります。

　ループが不安定だということになるとループを安定にする対策が必要になります。
現状でのICの型名とPWM出力フィルタのインダクタンス値、コンデンサーのタイプ
（電解コンデンサｏｒタンタルコンデンサｏｒセラミックコンデンサｏｒその他）
およびＥＳＲ（等価直列抵抗値）値、位相補償端子ＣＯＭＰに接続されている
コンデンサの値と抵抗値が重要ですのでお知らせください。
　それから、この出力のＬＣ回路につながっている負荷側に対ＧＮＤに接続されている
コンデンサがあればその値とコンデンサのタイプもお知らせください。

補足

ご回答助かります。

不連続時の振幅幅大きいのでループの安定度が低いのかもしれませんね。

ICはTLE6711です。聞かれてます外付けの素子は基本的にデータシート通りの物を使用しています。（ググって頂ければと。）ただ、出力ノイズを抑える為にエミッタフォロワーを出力側に追加しています。ので負荷側のコンデンサはデータシートでは0.22Uが謳われていますが2.2Uのセラミックを使用しています。自分が設計した回路では無いので2.2Uを選んだ背景はわかりません。。。

ループの安定度が低いにしても何故低温時のみ不安定になるんでしょうか？