低消費電力DC/DCコンバータへの最先端技術の導入

低消費電力の基板実装型DC/DCコンバータの製造に使用される技術は、他の電子機器と比較すると、よりゆっくり、かつ独特に発展してきました。典型的なコンバータは、何十年もの間、スルーホール封止モジュールまたはオープンフレームの表面実装「ドーターボード」のままであり、新製品は1980年代以降に標準化されたピンアウトとフォームファクターでまだ発売されています。しかし、インターフェイスやA/D、D/Aコンバータなどの機能ブロックは、ディスクリートソリューションから、高さ数分の1ミリ、フットプリントは内部ダイのサイズよりわずかに大きい表面実装IC、それも今やナノメートル単位のトレース形状を持つ「チップ」に進化し続けています。

なぜDC/DCは小型化の流れに乗れなかったのか？

DC/DCは能動部品と受動部品の集合体ですが、なぜ同じように「別の」集積回路になり、小型化しないのでしょうか。その理由のひとつは、コンバータが大きな電力損失を伴うことが多く、放熱するための表面積が必要だからです。しかし、新しい変換技術によって効率が向上するにつれて、この問題は重視されなくなってきています。最大の理由は、ほとんどのコンバータで必要とされる磁性部品が、何十年にもわたって同じ製造技術と同じサイズに頑なにとどまっていることです。比較として、1988年に台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング・カンパニー（TSMC）は3μmのデザインルールでICを提供していましたが、今日ではその1000分の1の3nmとなっています[1]。

また、同じ時期に、機械加工が実用化されている典型的なディスクリート表面実装受動部品も、1206サイズから01005サイズまで縮小しており、フットプリントは50倍以上縮小しています。一方、DC/DCコンバータのトランスやチョークに使われる磁性体コアのサイズは、80年代からほとんど変わっておらず、材料固有の最大磁束密度と動作周波数によって、巻線の最小巻数が決められています。パワーエンジニアの世代に公平を期すため、新しい変換トポロジー、優れたコンポーネント、高度な熱設計による低損失化により、電力密度は向上しました。これによって、特定のDC/DCモジュールのサイズからより多くの出力電力を得ることができるようになり、非レギュレーテッドタイプのSIP7フォーマットの場合、おそらくわずか3倍のサイズになりました（図1）。

磁性体を最適化するための選択肢

電力変換用マグネティックスの小型化には、スイッチング周波数の向上によるコアサイズの縮小、巻線巻数の削減、またはその両方の組み合わせが一般的であるため、常に選択肢がありました。しかし、スイッチング周波数が高くなると、半導体の効率が低下し、コアの損失が増加するため、内部温度が高くならない限りケース全体のサイズは必ずしも小さくなりません。解決策としては、高効率のために設計されたより複雑なコンバータが必要ですが、これは法外に高価であると考えられています。

磁気部品は、一般的なコンバータに取り付けるのにも比較的高価です。ファラデーが慣れ親しんだであろう、絶縁ワイヤーをコアに巻き付け、「フライング」ワイヤーを基板にはんだ付けするという組立技術もほとんど変わっていません（図2）。ボビンは一般に場所を取りすぎるし、プリント巻線を使う技術も、必要な巻数と巻線の数、多層基板の高コストのために、少なくとも低電力製品では実用的ではありませんでした。

メーカーが選んだのは、部品コストを抑えたシンプルなもの

ほとんどの低電力DC/DCコンバータ・メーカーは、従来の「ロイヤー」回路（図3）を使用するなど、できるだけシンプルで低コストの回路を作るという道を歩んできました。その結果、シンプルなトロイダルを巻き、ワイヤーを手作業で両面PCBにはんだ付けし、壊れやすい終端を保護するためにカプセル化またはオーバーモールドを行うという高い労働コストを相殺することができました。回路と組立技術は何年もかけて改良され、単純な非レギュレーテッド・コンバータでは約10個のディスクリート部品を使用するだけですが、レギュレーテッド・バージョンでは15個の部品を使用します。トランスの製造とモジュールの組み立てを低コストの地域で行うことで、最終製品は合理的な効率で、絶縁、広い動作温度範囲、固定レベル間の極めて正確な電圧変換を提供します。手作業で組み立てる方法の利点は、入出力電圧や定格電力が異なる製品のバリエーションが、巻数を増やしたり減らしたりする簡単なオペレーターへの指示で比較的容易に製造できることです。

しかし、このアプローチには避けられない欠点があります。手作業による組み立てはサンプル間のばらつきを生み、単純な回路で包括的な故障保護を提供することは難しく、安全認証レベルの絶縁は、より複雑でコストがかかり、ケースサイズが大きくならなければ現実的ではありません。基本的なロイヤーコンバータにはラインや負荷のレギュレーションがなく、出力電圧は非常に軽い負荷や無負荷の状態で著しく上昇することがあります。さらに、エンドユーザーが価格低下を期待する一方で、人件費は時間の経過とともに増加するばかりで、生産量に応じて労働要素が減少することもありません。同時に、スペースに制約のある現代のアプリケーションに対応するため、パワーコンバータの機能性と効率性を高め、サイズを小さくすることが市場からの圧力となっています。

理想の追求

このような状況を打破するために、電源設計者は理想を夢見てきました。それは、オプションのアクティブ レギュレーションと包括的な保護を内蔵した高周波/高効率動作を含む、幅広い機能を備えた制御 IC の組み込みです。トランスは、多層基板に機械的に配置された平面コアやプリント巻線などの技術を使用する必要があります。このICソリューションとトランスは、必要な関連サポート部品とともに、単純なロイヤー回路よりも部品コストが大幅に高くなりますが、柔軟な組み立て自動化と規模の経済性により、より優れた性能と一貫性、より高い電力密度という市場の要求にコスト負担なく応える道となります。

オーストリアに本拠を置くメーカーRECOM[2]は、このような「最先端」技術を「K」シリーズと呼ばれる低電力DC/DCコンバータに搭載し始めました。同社は、人件費を大幅に削減するために自動化に多額の投資を行う一方で、部品コストを最小限に抑えるために基板や部品の大量生産にコミットしています。同時に、革新的な設計技術により、通常要求される幅広いバリエーションに対して、柔軟な製造プロセスで簡単に製品を構成することができるようになりました。

発売中の新製品例

この新技術を採用した製品の一例として、RECOM RKKシリーズ では、統合コントローラと平面トランス を実装し、性能向上と組み立ての完全自動化を実現しています。同社は、互換性のためにSIP7形式を維持し、1Wの定格を選択しました。その結果得られた効率の向上を利用して、動作温度範囲を拡大し、ディレーティングなしで105℃までの動作を実現しました。1W定格は、絶縁型通信インターフェースやハイサイドゲートドライバなど、多くのアプリケーションで採用されています。また、温度範囲の拡大により、ハイスペックな産業用や車載用など、より幅広い市場を開拓することができます。初期製品と比較したRKKシリーズの相違点と性能向上の概要は表1の通りで、量産時販売価格を抑えながら、性能は顕著に向上しています。新製品は公称アンレギュレ―テッドですが、入力電圧の変化に対してある程度の補償があり、例えば±10%の入力電圧変化に対して出力変化は±5%以下となっています。さらに、部品を封入する必要がないため、軽量化とコスト削減が図れるという特徴もあります。同シリーズには、高精度が必要な場合にポストレギュレータ出力を搭載したバージョンもあります。

その他の新開発

RECOMの新技術の原理は、同社の非絶縁型DC/DC にも採用されており、好評のR-78シリーズ をアップグレードし、リニアレギュレータの代替品として使用できるようにしました。新製品は 「R-78K」として、効率を最大96%まで向上させ、入力範囲を36Vまで拡大しました。また、動作温度はディレーティングなしで90℃になりました。

従来のシンプルな設計を、コストを上げずに高度な回路技術や製造技術に置き換えるというトレンドに沿って、RECOMの既存製品はさらに「K」へのアップグレードが予定されています。新しい「razor」製品がリリースされるたびに、「最先端」の利点を享受することができるのです。

参考文献

[1] https://www.tsmc.com/english/dedicatedFoundry/technology/logic/l_3nm