直列キャパシタ降圧コンバータ

PLECSのデモモデルに含まれている、この事例では、TI社から提出された技術白書「Design of a high-frequency series capacitor buck converter」に記述されている、 COT（Constant On-Time）制御2相直列キャパシタ降圧コンバータ回路を解析しています。

電源回路

直列キャパシタ降圧コンバータ回路は、スイッチトキャパシタ回路と、 2相降圧コンバータ回路を組み合わせた、DC/DC変換用回路トポロジーです。直列キャパシタ回路は定格入力電圧の半分となる、2:1の電圧降下を実施するため、出力フィルタの視点で考えると、入力電圧の半分を降圧するコンバータ回路と言えます。スイッチノード（VSWAおよびVSWB）は、降圧コンバータに対する全入力電圧ではなく、半分の入力電圧値を整流するため、スイッチング損失は低減化されます。

コンバータには50％のデューティ比制限が設定されており、直列キャパシタ回路によって生成される2:1の電圧降下と組み合わせ、負荷側の最大電圧出力は、入力電圧の1/4になります。実用的な電圧出力の制限値は、入力電圧の1/5程度である場合が多いですが、この例題では、制限値を入力電圧の1/10としています。

制御ロジック

回路の出力電圧を制御するため、 COT（Constant On-Time）制御が採用されています。これは、スイッチのターンオン時間を、一定に指定する可変周波数制御方式です。制御器はPWMランプ信号として、リップル電圧出力（Vfb）を参照します。この信号は電圧指令値（Vref*）と比較するため、リップル電圧が必要になります。これは出力キャパシタESRによって提供されます。比較器はフィードバック電圧（Vfb）を参照して、フィードバック出力が指令値より低い場合、ハイサイドスイッチのターンオン時間をトリガします。ターンオン時間は一定のため、制御器はターンオフ時間のみを変調します。「Min Off-time」ブロックは、急激な負荷変動時のインダクタ飽和を防止します。 COT制御は、特に大電圧の降圧（低デューティ比）に対して有効です。

PLECSステートマシンブロックを使用してCOT制御を実装する例題は、 PLECSデモモデルの「ステートマシンによるCOT制御降圧コンバータ」を参照して下さい。

シミュレーション

例題のモデルは、入力電圧12 Vに対して定常動作する、 POL（Point of Load）電圧レギュレータの適用事例になっています。直列キャパシタ回路の平均出力電圧は、入力電圧の約半分（6V）で、スイッチノード出力電圧VSWA/VSWBも、入力電圧の半分（6V）に制限されています。降圧コンバータ回路の負荷側出力電圧は、入力電圧の約1/10（1.2V）になります。コンバータのインダクタ電流は完全に平衡しており、どれか1つのインダクタパラメータ値を変化させることによって、これを確認可能です。