高度なパッケージング技術によって、インダストリー4.0における複数の目標達成をサポート

18世紀から始まった製造業の歴史には、大まかに定義すると、4つの「産業革命」が含まれています。この中で、人力と馬力に代わって段階的に機械化が進んできました。機械化の最初の段階は、水力と蒸気力によるものでした。第2段階では、電力への移行と大量生産および組立ラインの導入が行われ、第3段階ではコンピュータと自動化が特徴となりました。どの段階でも、その前の段階と比べて生産の柔軟性が向上し、電力の利用効率が上がり、コストが削減されました。

現在は、インダストリー4.0と呼ばれる第4段階に入っています。これは、ロボット技術の導入、モノのインターネット（IoT）技術による大規模なデータ収集、そして機械学習（ML）と人工知能（AI）を含むクラウドベースの要素などを使用することで、第3段階を基に発展させたものです。

製造業において、インダストリー4.0はスマートファクトリーと同義となっています。スマートファクトリーでは、自動化システムがローカルプロセスについての決定を下して、相互に通信、協力し、工場内やクラウド上で人間のオペレーターとリアルタイムで対話します。

インダストリー4.0の工場では、ほぼすべての製造プロセスで電子制御とモニタリングが有線または無線接続で組み合わせられています。この際、多くの場合、この目的のために設計されたわけではない小さなスペースに電子モジュールを取り付ける必要があります。そのため、非常にコンパクトな電子モジュールが必須となります。

例えば、データを収集し中央ハブに送信するためのリモートセンサーのネットワークを導入することは、インダストリー4.0の典型的なアプリケーションです。これらのセンサーモジュールには、たいてい非常に限られたスペースしか利用できません。残念ながら、パワートランジスタ、トランス、コンデンサ、インダクタなどのさまざまな大型コンポーネントを必要とするため、電源管理設計は大きな回路ブロックになりがちです。電源設計者は、より多くの電力をより小さなスペースに詰め込むことで効率を向上させ、製造コストを削減し、電力密度を高めるための新しい方法を常に模索しています。

低電力の非絶縁型および絶縁型DC/DC スイッチングレギュレータについて、設計者はコスト効率の良いソリューションを開発しながら、パフォーマンスと電力密度の向上に対する要求を満たすことに取り組んでいます。

上述のセンサーの設計では、工場全体に長いケーブルを設置することは、特に既存の設備にインダストリー4.0の機能を追加する場合、現実的ではないことが多いです。そのため、多くのセンサーモジュールはバッテリー電源と、WLAN、Bluetooth Low Energy（BLE）、LoRaなどの無線通信に依存しています。

したがって、スタンバイ消費電力が非常に低い高効率の電源ソリューションは、バッテリー寿命を最大限に伸ばすために不可欠です。より高い効率を追求する動きにより、プッシュプル構成や同期整流などの洗練されたトポロジーを使用するDC/DCコンバータの開発が促進されています。産業用アプリケーション には長い動作寿命が必要になるため、電源の寿命が動作寿命の制限要因になってはいけません。

高度なパッケージング技術によって、インダストリー4.0における主要な目標の達成をサポート

DC/DCコンバータの高度なパッケージング技術は、効率の向上、サイズの縮小、さらにはコストの削減に役立ちます。

よりコンパクトな電源への要望により、トランス、制御デバイス、パワートランジスタ、およびその他のコンポーネントを単一のパッケージに統合したデバイスが生まれました。

ただし、ディスクリート設計に対するモジュールの利点を実現するには、設置面積を小さく保つ必要があります。これを達成するために、非絶縁型DC/DCスイッチングレギュレータ と絶縁型コンバータモジュールは、3Dアセンブリ技術を取り入れることでZ方向を利用し、設置面積の最小化と電力密度の最大化を実現しています。内部を見ると、デバイスにはリードフレーム上に低コストのフリップチップが搭載され、オーバーモールドによって統合型のインダクタが追加されています。

3D構造は効率の向上にも寄与します：これらのコンポーネントは互いに非常に近接して配置されるため、スイッチング電流ループがタイトになり、発生するEMIが非常に小さくなります。また、ディスクリート設計を上回る高い電力密度と最適化された熱性能が実現します。

ここまでは順調です。しかし、より低コストでより高い製品の信頼性を追求する中で、現代の電子機器製造ラインは、可能な限り手はんだ付けを含む手作業での組み立てを排除する方向に向かっています。ウェーブとリフローという2つの標準的な自動はんだ付け作業では、表面実装技術（SMT）パッケージを使用するコンポーネントが必要となります。データコンバータ、マイクロコントローラ、受動部品など、ほぼすべての電子コンポーネントはこの形式で利用可能です。しかし、伝統的に、統合DC/DCコンバータにはスルーホールSIPパッケージがよく使用されています。潜在的なエラーの原因となる追加の手はんだ付けステップが必要となり、組み立てが複雑になる可能性があるものの、PCBの設置面積を最小限に抑えることができるからです。

RECOM製品で自動化された生産フローを簡素化する

RECOMは、インダストリー4.0アプリケーションに最適なSMTパッケージの絶縁型および非絶縁型DC/DCコンバータを幅広く提供しています。これらの低電力DC/DCコンバータは、他のSMTコンポーネントと同様に取り扱い、配置し、はんだ付けすることが可能です。さらに、今日のスリムな製品に合わせた薄型の設計になっています。

RPX-0.5Q は、統合型シールドインダクタを備える自動車用グレードの降圧コンバータ で、コンパクトな3mm×5mm×1.6mmの熱強化型QFNパッケージを採用しています。また、パッケージは、はんだ接合部の自動光学検査を可能にするウエッタブルフランクを備えています。入力範囲はDC 4～36Vで、5V、12V、24Vの電源電圧を使用できます。出力電圧はDC 0.8～34Vに設定でき、これは2つの外部抵抗により選択されます。出力電流は最大0.5Aで、デバイスは連続的な短絡、出力過電流、過熱故障から完全に保護されます。

絶縁型の製品ラインのR05C05TE05Sは、4.5～5.5Vの入力範囲と5Vの半調整型出力を備えた、コスト効率に優れた薄型の0.5W SMD絶縁型DC/DCシングル出力コンバータです。最小負荷要件がないため、非常に軽負荷の動作モードに切り替わるアプリケーションに最適です。このデバイスは、短ピーク動作モードで追加電力を必要とするアプリケーションに対し、最大600mWを供給することも可能です。標準絶縁は3kVDC/1minで、動作温度範囲は-40°C～+125°C（ディレーティングあり）です。完全に自動化された設計には、短絡、過電流、過熱保護が備えられており、通信、電流検出、COMポートの隔離などのアプリケーションで非常に高い信頼性を保証します。

まとめ

インダストリー4.0では、DC/DCコンバータに対して信頼性、サイズ、効率についての厳しい要件が課せられています。RECOMの低電力絶縁型および非絶縁型DC/DCコンバータには、高度なパッケージング技術が採用がされており、製品の信頼性を向上させると同時に、コストを低減し、効率を高めています。そしてそれが、業界最高水準のパッケージサイズで提供されています。