スイッチングレギュレータにおけるフットプリントの小型化

2020/04/06
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スイッチングレギュレータ回路は長年使用されており、ユーザーは常に個別のコンポーネントを使用して独自の設計を行うか、完成したモジュールを購入するかを選択していましたが、今日、最新の効率、EMI、および電力密度の期待を満たすためには、主にモジュール式アプローチが使われています。

目次

非絶縁型スイッチングレギュレータは、負荷に直接接続、または分散型電源アーキテクチャの一部として、長い間DC電源レールを低電圧または高電圧に効率的に変換する主力製品でした。1950年代の最初の設計では真空管が使用され、以前の「リニアレギュレータ」アプローチと比較して変換効率が劇的に改善し、扱いにくい機械式「バイブレータ」でしか実用的でなかったDC電圧ブーストの可能性も開かれました。1970年代になって初めて、「電圧モード」制御を使用した最初のスイッチモード電源ICコントローラであるSilicon General SG1524が登場しました。このデバイスの成功により、さまざまな制御および変換技術を使用した代替手段へのゲートが開かれました。数十年の間にいくつものバイポーラトランジスタのバージョンが更新され、ほぼ例外なくMOSFETに置き換わりました。ダイオードもMOSFETを使用した同期整流器に置き換えられ、現在ではSi-FETでさえ、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ材料に取って代わられようとしています。

スイッチングレギュレータの進化は、その変換効率によって表されます。長年にわたってこの数値は80％+から97％以上に着実に上昇しており、最新の設計ではそれ以上の効率を実現しています。効率が高いほど、ワット/cm3で表される電力密度が高くなりますが、これは特定のコンポーネントから供給できる電力量を表します。より高い電力密度を必要とすることで、データシートにいくつかの「創造性」が示されます。例えば、一部のICレギュレータの数値は、必要なすべての外部コンポーネント、特にかさばるインダクタとコンデンサなしの場合で規定されています。冷却もしばしば問題になり、非常に大きな電力密度は非現実的なエアフローまたは過度に複雑な水冷でしか達成できません。また、ヒートシンクの温度だけでなく、周囲の動作温度範囲も重要です。デバイスが一定の室温を大きく超えてディレーティングする必要がある場合、有効電力はすぐに減少します。

最先端のスイッチングレギュレータへの進化

図1：製品導入の遅延は収益損失に直結
効率と機能性の向上を目指した継続的なコンポーネント統合は、非絶縁型スイッチングレギュレータ開発の歴史と言えます。この背景として、負荷要件により出力電圧が5Vから3.3V、さらに今日要求される1V以下に低下したことが挙げられます。入力電圧が上昇しシステムの電力レベルが増加したため、より高いバス電圧が必要になり、結果として消費電流が減少しました。ディスクリートコンポーネントの設計は、スイッチングトランジスタと最近では磁気も統合したICコントローラにより簡略化されました。障害監視、電流共有、同期、シーケンスなどの周辺機能は、ますますIC設計に組み込まれています。

スイッチングレギュレータ設計の初期から、完全なパッケージコンバータモジュールと実績のあるソリューションがベンダーから提供され、顧客が独自に設計する労力とリスクが軽減されています。これは時として経験豊富なエンジニアにとって悩ましく、自分で設計できるものにプレミアムを支払うことを好まない者もいました。R&Dコストの数倍の費用を何年も掛けて売る製品に対し、社内設計を行う際に発生する膨大な開発時間とリスクが黙認されることがあります。また、スイッチング電源をゼロから設計できることにエンジニアとしての誇りがありました。

今日では状況が異なります。電源設計のノウハウはOEMに奪われ、最適なパフォーマンスを得るために必要な技術は高度に専門化され、フェライト材料の成形などOEMでさえも利用できないプロセスも存在します。製品のライフサイクルも非常に短いため、設計の最適化やEMCテストの繰り返しによる開発コスト増大や開発遅延がROIに大きく影響します（図1）。
図2：降圧コンバータの負荷ステップにより電圧過渡が発生
もちろん、制御ICメーカーは広範なアプリケーション情報を提供しているため設計は簡単に思えますが、これらの簡素化された設計ツールでは実際の回路要件を満足することはできません。例えば、推奨される出力容量は、アクティブ状態とスリープ状態の間で100万倍変動する実際の動的負荷に対して非常に低すぎることが多く、許容できない電圧ジャンプを引き起こします（図2）。

また、アプリケーションノートではしばしばインダクタスペックに「誇張」があり、価格や実用性ではなく最高のパフォーマンスを得るための推奨部品が掲載されています。実際に、最適なインダクタの選択には、温度、周波数、負荷電流、静的および動的な性能の評価に数週間も掛かることがあります。インダクタの飽和特性や漏れ磁界などの他のパラメータは、設計において重要になる場合があります。完成した設計のEMC性能は、変更にコストのかかる最終PCBに回路がレイアウトされ、最終的なコンポーネントの選択が行われるまで、「最大の未知数」です。コンデンサについても同様で、自己インダクタンスなどの重要な情報で評価するのに最適な性能とコストを持った部品が、データシートに適切に記載されていない場合があります。

最先端のスイッチングレギュレータデザインは、多くの場合、わずか2mm x 2mmのBGAパッケージに0.4mmピッチのパッドマトリックスを持った制御ICによって高い電力密度を実現します。これはユーザーのPCBアセンブリプロセスと互換性がない可能性があり、短絡やジョイント不良をテストするために、高価なX線イメージングを用いた精密半田ペーストアプリケーションが必要です。同様に、コンバータ制御ICには、パッケージから回路基板に熱を効率的に拡散するために、グラウンドプレーンにつながるフィルドビア及びベリードビアを持つ複雑な多層PCBが必要になる場合があります。ユーザーが他の回路にこのボードの複雑さを必要としない場合、PCB製造コストのペナルティを支払うことになります。

多用途な最新スイッチングレギュレータ

図3：12.19mm x 12.19mm x 3.75mmパッケージの6Aスイッチングレギュレータ（RECOM RPMシリーズ）
パワーモジュールは汎用製品である必要があり、特定のアプリケーションに最適なソリューションではないかもしれないが、最新世代は幅広い動作条件で高いパフォーマンスを達成していると主張することもできます。例えば、RECOMのRPMHシリーズは、入力範囲が最大65V、出力が2.5V〜28Vの間でトリミング可能な0.5A部品で、強制空冷なしで最大105°Cで動作可能な12.19mm x 12.19mm x 3.75mmのEMIシールドパッケージに収められています（図3）。同パッケージの同社製RPMBシリーズは、より高い3A電流で最大36Vの入力動作、出力は1Vから24Vでトリミング可能です。同じパッケージサイズで、最大入力が低い6A部品であるRPMシリーズも購入可能です。

これらのタイプのモジュールは大規模に集積されているため、オン/オフ、リモートセンシング、リモートトリミング、ソフトスタート、パワーグッドシグナリング、パワーシーケンスなどの包括的な制御および監視機能を追加するための製造コスト増加はほとんどありません。モジュールは、通常、入力電圧不足、短絡、過電流、過熱に対する障害保護を備えています。アプリケーションは、異なるスリープ状態または完全負荷状態でほぼゼロ電流から定格最大まで動作する可能性があるため、モジュールには多相コンバータトポロジでの位相シェディングなどの手法により、軽負荷電力消費を最小限に抑えながら効率を最大化する機能が組み込まれることがよくあります 。
図4：4.5 x 4 x 2mm QFNパッケージの2.5Aスイッチングレギュレータ（RECOM RPXシリーズ）
最高の電力密度を実現するために、モジュールにはオーバーモールディングを使用したリードフレームオンフリップテクノロジーなどの高度な生産技術が使われます。RECOM RPX製品（図4）はその一例であり、4.5mm x 4mm x 2mm QFNパッケージで強制空冷なし、全負荷で周囲温度最大95°Cの条件で2.5A定格を達成しています。RPXシリーズは、仕様どおりに機能するために外部コンデンサを必要とする部品の一例です。これにより、例えば入力コンデンサがすでに電源に存在し、必要な電圧定格に合わせて出力コンデンサを選択できるため、全体の電力密度を高めることができます。これらが内部コンデンサの場合、最大サイズに調整し、可能な限り最大電圧に定格する必要があります。

多くの場合、オンボードのレギュレータには、電圧をブーストおよびドロップする機能が必要です。典型的な用途は、電池が放電する間は可能な限り電力を維持する必要がある電池駆動の機器です。正の入力からの正の出力電圧の場合、従来のソリューションはSEPIC、ZETA、またはCukコンバータで、二つの磁気要素と複雑な制御ループが必要です。モジュラーコンバータは、その統合度により、スイッチまたはダイオードとして降圧モードと昇圧モードの間でシームレスにスイッチするように「オンザフライ」で構成できるMOSFETアレイである4スイッチバックブーストなど、低コストで異なるトポロジを実装できます。RECOM RBBシリーズは、LGAパッケージで最大3A定格、さらに9V〜60V入力および0V〜60V出力のハーフブリックパッケージの3kW部品の例です。この部品の一般的な用途は、48Vから24Vまたは12Vから24Vのバッテリー電力変換、電気自動車、バッテリー電圧安定器、または高出力の実験用DC電源です。

モジュールと「DIY」の選択が簡略化

したがって、最適なパフォーマンスを実現するためのすべてのプロセスと設計手法を備えたスイッチングレギュレータモジュールを調達することで、ユーザーは製品開発のリスクを軽減しながら、時間と費用を節約できます。サプライヤと在庫管理の効率化も可能です。異なるサプライヤからの多くのコンポーネントを購入、在庫、処理する労力と比較して、たった一つのコンポーネントで、必要な場合はカスタムマグネットパーツを追加するだけで最高のパフォーマンスが実現できます。節約は、必要に応じてSMDの実装時間、テスト、および認証でも発生します。互換品調達に関する懸念も、モジュールがDOSAなどの機能およびピンアウトの業界標準を満たすことで解決されています。総所有コストが明らかになると、RECOMなどの企業のモジュール式ソリューションが明確な勝者になる可能性があります - 私たちが仕事を行いました。お客様の手間はありません！

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