BuckとBoostの違い：降圧・昇圧DC-DCコンバータの選び方

電圧以外に何が変わるか

5 V、1 Aの負荷が消費する電力は5 Wです。12 V電源から降圧コンバータで給電する場合とリニアレギュレータで給電する場合では、電源から流れる電流とレギュレータの発熱量が異なります。

降圧型では入力電流を基に電源を、出力電流を基に基板を選びます。リニアレギュレータでは、7 Wの熱をどう逃がすかが課題です。

安定化された12 V電源で5 V、1 Aの負荷を動かす用途には、Elecbeeの5 V固定出力降圧モジュール（EB0044142）が候補になります。商品仕様の入力範囲は7～26 Vで、長時間使用時の推奨電流は1.6 A以内です。3 Aは最大値です。筐体内の放熱条件も確認してください。

一般的な降圧・昇圧回路では、スイッチがインダクタにエネルギーを蓄え、放出するタイミングを決めます。図はいずれもダイオードと出力コンデンサCを使う例です。降圧型のスイッチは電源側、昇圧型のスイッチはリターン側にあります。

入力電圧範囲の測り方

電池や電源の公称電圧だけでは、モジュールに届く電圧は決まりません。電源自体の変動に配線経路の電圧降下が加わります。公称3.7 Vのリチウムイオンセルは満充電で約4.2 Vとなり、放電や大電流負荷で電圧が下がります。非安定化電源は軽負荷時に公称値を上回ることもあります。また電流が流れると、配線、コネクタ、ヒューズ、電池の保護スイッチにも電圧降下が生じます。

最低値は放電終止付近で最大負荷をかけ、モジュール入力端子間で測定します。電源側で測る場合は、その負荷での電源電圧から、測定点とモジュールの間にある往復両方の配線経路の電圧降下を差し引きます。

往復の電圧降下を差し引くのは一度だけです。ケーブルのモジュール側で測定した値には既に含まれます。満充電かつ軽負荷または無負荷での最高電圧も、モジュールの入力上限と照合してください。

実測範囲の上下限を目標出力と比べます。昇圧専用基板では高すぎる入力を降圧できません。降圧型の下限では、実際の負荷で出力を維持するためにその基板が必要とする最小入出力電圧差が決め手になります。

入力5.10 Vで出力5 Vを維持できるか

負荷の許容電圧を端子で5.00 V ±5%、つまり4.75～5.25 Vとします。全負荷時のモジュール入力は5.10 Vまで低下し、候補の降圧基板がその電流で5.00 Vを維持するには0.30 Vの電圧差が必要です。

不足分は0.20 Vです。5.00 Vを保証できないことは分かりますが、出力が4.80 Vになると予測できるわけではありません。出力が入力に追従する、負荷変動時に安定しない、低電圧保護で停止するなど、挙動は製品によります。必要な電流での特性を確認してください。

安定した5.00 Vが必須なら、配線損失を減らして入力を5.30 Vより高く保てるか、または0.10 Vの電圧差で動作を保証する降圧基板があるか調べます。入力が目標値を下回ることもあるなら非反転昇降圧型が候補です。

負荷が±5%の全範囲を許容するなら、メーカーが示す出力特性と出力配線の電圧降下を使い、負荷端で下限4.75 Vと上限5.25 Vの両方を確認します。安定化範囲を外れても、動作中ずっと負荷の許容範囲に収まる場合があります。

電池電圧が出力電圧をまたぐ場合

満充電時に3.3 Vを超えていた入力が、負荷をかけて放電するうちに3.3 Vを下回る場合、全範囲で精度を保つには降圧と昇圧の両方が必要です。

「Buck-Boost」と表示されていても、まず出力極性を確認します。従来の単一インダクタ式反転回路は共通GNDに対して負電圧を出力します。正出力が必要なら非反転型を選び、入力が出力設定値を通過する際も連続して安定化できるか確認します。非反転型が必ず4スイッチ構成とは限らないため、移行領域の仕様で判断してください。

最低電圧のときも電源は負荷を駆動できるか

出力電力が同じで効率も同程度なら、入力電圧の低下に伴って入力電流は増えます。予想される最低入力端子電圧で電源と基板を個別に確認します。その動作点の効率を小数で用い、他の定格も照合してください。

平均入力電流（A）＝出力電圧（V）× 負荷電流（A）÷［モジュールの最低入力電圧（V）× 効率］

入力が3.0 Vまで下がっても負荷には5 V、1 A（5 W）が必要だとします。次の2例ではこの動作点での効率を85%と仮定し、式には0.85を入れます。

この計算で分かるのは定常時の電源電力です。想定する温度と通風条件で基板が連続して負荷を駆動できるか、最低入力電圧でシステムが起動できるかも確認します。

モジュール仕様の「2 A」はどこの電流か

例では負荷電流は1 A、3.0 V電源の平均電流は約1.96 Aです。昇圧段のインダクタ電流はスイッチング周期ごとに増減し、スイッチにはさらに高い瞬時ピークが生じます。「2 A」の意味はパラメータ名と試験条件で読み分けます。

同じ負荷に対し、2種類の仕様表示を比べてみましょう。

• 基板Aは見出しに「2 A」とあるだけです。入力3.0 V、出力5 Vでの連続出力電流と冷却条件を確認しないと、負荷を駆動できるかは判断できません。
• 基板Bには特性曲線があります。出力5 Vの曲線を選び、入力軸の3.0 Vで出力電流を読み、必要な1 Aと比較します。同じ入力・負荷での効率から電源電流を見積もります。代表値と保証値を区別し、試験時の冷却条件と実機の筐体条件も比較してください。

負荷を接続した状態の最低起動電圧を確認します。突入電流と電源の許容パルス電流を比較し、モジュール入力が瞬間的にどこまで低下するか測ります。残量の少ない電池で運転を継続できても、同じ状態で再起動できるとは限りません。TIの昇圧回路の起動測定例

TIのTPS61022では、入力3.6 V、出力5 Vでスイッチの谷電流制限値を規定しています。谷とは、1スイッチング周期におけるインダクタ電流の最低点です。

最小	標準	最大
6.5 A	8 A	10 A

別の動作点である入力1.8 V、出力5 Vでは、TIは最小値6.5 A、インダクタのリップル電流、効率87%を用いて出力電流を2.12 Aと見積もっています。標準値8 Aと計算値2.12 Aは指している電流が異なります。TIの昇圧電流計算例

電池駆動の負荷がリセットしたときに測る箇所

同じ負荷変動に対する電圧を比べます。電池または電源の端子とモジュール入力を測り、出力にケーブルがあれば基板側と負荷側の両方を測定します。

電源端子とモジュール入力を比べる

負荷を入れた瞬間に電源端子で電圧が大きく下がるなら、電池残量、電源の連続電流能力、負荷が実際に取る電流を確認します。

電源側が安定していて入力端子だけ低下するなら、間にある往復の配線、コネクタ、スイッチ、ヒューズホルダーを点検します。

電圧が下がるのは基板か出力ケーブルか

降圧型で入力が設定値に近づくと出力が下がる場合、入出力電圧差の不足が考えられます。過大な負荷電流や温度による制限も原因になり得ます。

基板出力が安定していて負荷端だけ下がるなら、出力配線と接点を確認します。入力電圧が規定範囲内でも基板の出力端子で既に下がるなら、電流制限、温度制限、負荷の要求電流を確認してください。

投入直後か、温まってからか

一般的なテスターは測定値を平均化するため、サンプリングや捕捉性能によって短い電圧低下を見逃します。表示が正常でも電源投入時や負荷パルスでリセットするなら、高速の最小・最大値捕捉機能かオシロスコープで入力と出力の瞬時低下を調べます。

冷間起動は問題なく、しばらくしてから停止する場合は、電池の放電で入力電圧が下がり同じ出力電力でも入力電流が増えたのか、基板の温度制限が働いたのかを切り分けます。リセット時の入力電圧と基板温度を記録してください。

入力端子での電圧範囲、必要な出力電圧、最も厳しい条件での電流が分かったら、DC-DCコンバータの仕様と照合できます。