DC/DCコンバータの要件

電力供給がなければ、ほとんどのものが壊滅してしまいます。単純な民生用機器からLED照明、コンピュータネットワーク、健康維持のための医療機器、遠くの世界を探査するための人工衛星やハッブル望遠鏡まで。カーナビや電気自動車などもあります。船舶は衛星ナビなしでは目的地に到達できないし、飛行機にはさらに多くのナビゲータが必要です。また、"e-mobility "についてはどうでしょうか。電気自動車には安全性が求められ、さらには自動運転も想定されています。自動車のあり方も見直されています。もはやハンドルはありませんし、私たちは後部座席に座っています。3つのオンボードコンピュータ、無数のセンサー、無限のソフトウェア、人工知能！

そして、すべてが連携し十分に発達したとき、私たちはそのテクノロジーのおかげでウィンドブラインドを下ろし、リラックスした状態で目的地に到着するでしょう。まだまだ未来の話ですが、障がい者のための車ではすでに実現されています。

信頼性

強大なトラクションを持ったバッテリーがエンジンを駆動しています。AIプログラムを搭載したオンボード・コンピュータなど、他のすべての民生製品もトラクション・バッテリーから電力を供給されますが、12V、18V、24Vなどの低電圧が必要です。また、マイクロコントローラやその周辺機器は、5V、3.3V、1.8Vで動作しますが、これら電圧も12Vから生成されます。ここで、DC/DCコンバータに求められる最初の厳しい要件に到達しました。DC/DCコンバータは、コンピュータ全体の技術と同様に、安全かつ確実に動作しなければなりません。そして残念なことに、物理法則上の理由からそれら製品は必ず熱を帯びます。そして、何かが温かくなる（場合によっては熱くなる）と、必ず経年劣化が起こります。低温下では重要ではありませんが、部品が高温になればなるほど経年劣化のプロセスは加速します。電解コンデンサの場合、劣化は更に早くなります。

今日の部品技術では、有効な熱放散を行うしかありません。ファンは使えないので、アルミのベースプレートなどの熱伝導材を使って、直接筐体に熱を逃がす方法です。さらに、2つ目の「仕掛け」があります。それは、1つの大きなDC/DCコンバータを使うのではなく、複数の小さなコンバータを広い範囲に分散して配置することです（分散電源アーキテクチャ）。これには、必要な場所に必要な電圧を供給できるというメリットもあります。12Vレール（いわば内部電源バス）から3.3Vを直接マイコンに供給し、センサー信号を処理するアナログ回路のすぐ近くに12V/5Vコンバータを配置します。このアーキテクチャはPoL（Point of Load）とも呼ばれています。熱を分散させるだけでなく、EMCの面でもメリットがあります。

サイズとEMC

ここまでの記述を踏まえると、小型で高効率なDC/DCコンバータの重要性が増し、デバイスのアーキテクチャを決定していることが分かります。

これまで述べてきた要件に加えて、コンバータは可能な限り小さなサイズで、負荷が急増した場合も、極めて安定したスペック内の正確な電圧を出力しなければなりません。また、広い入力電圧範囲を持ち、コストパフォーマンスにも優れていなければなりません。ほとんどの場合、直列レギュレータでは廃熱が大き過ぎるため、これら要件はスイッチングレギュレータでしか実現できません。しかし、スイッチングレギュレータでは、出力に（場合によっては入力にも）EMC準拠のフィルタリングが必要となります。したがって、コンバータを選択する際には、どの規格をすでに満たしていて、どのフィルタを追加する必要があるかを検討することが重要です。

一般的に市販されているコンバータの出力は、数百ミリワットから数百ワットまで様々です。定格電力の違いと同様に、パッケージも異なります。約10WまでのSMD、SIL、DILから、約40Wまでのインチサイズ、そして大電力用のブリックコンバータまで、さまざまなパッケージ種類があります。いわゆるフルブリックのサイズは117mm×61mmです。

例

小型のコンバータでは高効率と高電力密度を実現することが特に難しいため、スイッチングボルテージレギュレータの例として、あえて低電力のコンバータを挙げます。それが「RPX-4.0」です。この製品は、熱的に最適化されたQFNパッケージの小型降圧コンバータで、極めて高い電力密度を実現しています。

重量はわずか2gで、特にドローンや加速回路、携帯機器など、重量に制約のあるアプリケーションに適しています。出力電圧が5Vの場合、電力密度は何と180W/cm³にもなります！

一般的なバッテリー電圧をすべてカバーする広い入力電圧範囲により、実質的にすべてのバッテリー駆動の製品に使用できます。

便利なCTRL入力は、RPX-4.0のスリープモードへの移行や、低消費電力の制御信号による高出力電流の切り替えなどに使用できます。また、緊急停止機能にも容易に使用可能です。このような小型のデバイスとしては珍しく、RPX.4.0は最大4アンペアの電流を供給することができ、ステッピングモータードライバー、高起動電流システム、またはレーザー電源などには十分過ぎるほどです。

RPX-4.0は、3.8～36Vの入力電圧に対応し、2つの抵抗で調整可能な1～7Vの出力電圧、4アンペアを実現しています。パッケージは、5mm x 5.5mm、高さ4.1mmというコンパクトなサイズで、電力密度の新たな基準となる降圧コンバータモジュールです。また、低電圧、短絡、過電流、過熱に対して完全に保護されています。

効率

RPX-4.0は高効率であるため、65℃まではフルパワーで、90℃まではパワーセーブモードで動作可能です（バリエーションや実装方法によって異なります）。この効率曲線は、低出力時に上昇します。つまり、このコンバータは中出力および低出力時にも有利に使用できます。これは、スイッチング周波数のインテリジェントな制御と、低EMIを実現するシールドされた一体型ストレージチョークによって可能になります。

また、RECOMの「3D Power Packaging^®」技術とフリップチップ・オン・リードフレーム構造を採用することで、高い電力密度を実現しています。また、RECOMによる3年間の保証が付いています。「RPX-4.0-EVM-1」の評価ボードも用意されており、製品の全機能をテストし、ターゲットシステムの要件に合わせてフィルタリングを最適化することができます。

ロスレス・パワー・ソース

LEDへの電力が電圧源から供給される場合、電流制限や動作点調整のために直列抵抗が必要になりますが、その際に大きな電力損失が発生します。LEDの電源に電流源を用いれば、この問題は回避できます。ボルテージレギュレータとオペアンプを用いれば、LEDに対して電流源の特性を持つシンプルな回路が実現できます。

サイズ比較

RECOMの3DPP^®テクノロジーを採用したRPX-4.0は、同一スケールでの比較画像に示すように、従来のコンバータよりも大幅に高い電力密度を実現しています。驚異的な小型パッケージにもかかわらず、優れた内部熱管理設計により、強制冷却なしで全負荷動作が可能です。