USB-Power Delivery Design Using 4 Switch Buck-Boost Converters

USBは、限られた電力を供給できるデータ・インタフェースから、データ・インタフェースを備えた一次電源へと進化してきました。最新のUSB 3.xプロトコルは、はるかに高いレベルで電力潮流をサポートしています。USB-Cポートは、デフォルトで５Vの電源を備えており、接続されたデバイスとのネゴシエーションを通してポート電圧を最大20Vへ高めることができます。

新しい電源供給の要件に特有の課題は、5V～20V DCバスを提供するためにどのように4.5V～32V入力電圧を使用するか、ということです。4スイッチ・バック・ブースト・コンバータは、バックまたはブーストの電力変換を行うために適切なトポロジーです。というのは、これが設計者およびお客様が求める幅広い電圧変換範囲、正極性、高効率性、および小型化特性を備えているからです。オン・セミコンダクターのUSB Power DeliveryおよびUSB-Cアプリケーション向けNCP81239 4スイッチ・バック・ブースト・コントローラは、4個のスイッチを駆動し、バックまたはブースト変換を可能にし、お客様がUSB Power Delivery（PD）仕様を満たせるようにサポートできます。したがって、デスクトップPC／ノートPC、パワーバンク、ドッキングステーションなど、すべてのUSB PD アプリケーションに適しています。

同期バックコンバータには、「ローサイド誤点弧」または「dv/dt 誘発点弧」と呼ばれる、よく知られた現象があり、これがスイッチを損傷させてコンバータ全体の信頼性を低下させるシュートスルー電流の原因となっています。

さらに、この問題は4スイッチ・バックブーストコンバータにおいて倍増します。なぜなら、バックとブーストの2つのフェーズを備えているからです。設計者が単純に、バックコンバータの回路パラメータを4スイッチ・バックブーストコンバータのブーストフェーズにそのままコピーするとエラーが生じます。このトポロジーは、多くのアプリケーションにおいて需要が高まっているため、dv/dt 誘発点弧の問題を理解することが、より重要になっています。

4スイッチ・バック・ブースト・コンバータにおけるdv/dt 誘発点弧は、バックフェーズおよびブーストフェーズの両方で、MOSFETの同期整流において急上昇するドレイン発生源電圧により引き起こされます。その結果、望ましくないシュートスルー電流が片方のフェーズを流れ、全体的なシステム効率が低下します。電源の設計者が利用できる効率的な回路ソリューションは、いくつか存在します。たとえば、整流スイッチのターンオフ・ゲートドライブの抵抗を最小限に抑えたり、アクティブスイッチのターンオン・ゲートドライブの抵抗を大きくしたり、RCスナバ回路をスイッチングノードに追加する方法です。また、Q_gd/Q_gs(th) 比が小さく、閾値電圧が高いMOSFETを選択することにより、dv/dt 誘発誤点弧の可能性を減らすことができます。

詳しくは、ホワイトペーパ「4スイッチ昇降圧コンバータ用ゲートドライバ設計に関する検討事項」をご覧ください。