ダウンコンバータ: 回路から完結したモジュールへ

降圧コンバータは、入力電圧をより低い出力電圧に変換します。その基本要素を図1に示します。初期状態では、スイッチSW1は閉じており、コイルL1に電流が流れています。コイルは分化した部品であるため、スイッチSW1が開きSW2が閉じるまで、電流の流れは着実に増加します。これにより、電流の流れが変化します。コンデンサーC1は積分部品なので、結果として出力電圧は、電流とスイッチSW1、SW2のターンオン時間の関数となります。 もともとS1とS2は機械的なスイッチでしたが、すぐにS1はトランジスタ、S2はダイオードというようにシリコンに置き換えられました。

技術の進歩とともに変化する回路

制御回路には、できるだけ多くの部品を内蔵して小型化・低コスト化することが求められてきました。主スイッチのS1を直接ICに内蔵したのは画期的でしたが、コイルやダイオードは外付けする必要がありました。さらに、効率を上げるために、スイッチの両方（SW1とSW2）にMOSFETを搭載し、スイッチング周波数を2MHzまで上げることに成功しました。

小型化の鍵を握るコイル統合

MOSFETへの切り替えが成功した後、小型化に向けてさらに進化する必要がありました。スイッチング周波数の上昇に伴い、コイルの設計を減らすことができるようになり、電流の振幅が小さくなったことで、出力コンデンサのサイズにも影響が出てきました。また、自己発熱量の少ない高品質のコンデンサを使用することで、さらに小型化が進みました。

しかし現在は、さらなる小型化・高効率化が求められており、そのためには、スイッチ経路を最小限にし、部品をZ軸方向に重ねて実装する必要があります。

最も単純な例は、FCOL（Flip Chip on Leadframe）パッケージ技術で、パワートランジスタを内蔵したコントローラーICをリードフレームのパンチグリッドに逆さまに接続し、SMDチョークもリードフレームに直接取り付けています（図3）。

この技術により、非常にコンパクトな降圧コンバータモジュールの完全自動生産が可能になりました。また、自己遮蔽インダクタの接続を短くすることで、EMC対策にも効果を発揮します。この方法で製造された製品は、オーバーモールドすることで、MSL3規格の環境に配慮した鉛フリーQFN（Quad Flat No-lead）パッケージにすることができます。例えば、4.5×4×2mmの小型パッケージRECOM RPXシリーズ（図4）は、1.2V〜6Vの範囲で調整可能な2.5Aを出力し、必要なのは外付けの入力・出力コンデンサのみです。

これらのモジュールは、標準的なSMDアセンブリとオーブンはんだ付けプロセスでユーザーのPCBに取り付けることができる完全なソリューションです。RECOMは、この新しいパッケージ技術を用いて、FCOL技術をベースにしたRPXシリーズのパワーモジュールをさらに2つリリースしました。RPX-1.0およびRPX-1.5シリーズのモジュールは、超小型の3×5×1.6mm QFNパッケージで、最大DC36Vで最大1.5Aの高入力電圧を供給可能です。

まとめ

降圧コンバータは，何十年にもわたって大きく進化してきました。コンデンサ，インダクタ，制御IC，パッケージング技術の革新により，すべての部品をより小さなパッケージに統合し，より高い電力密度を実現してきました。低電力DC/DCコンバータをIC化するという目標は、絶縁型、非絶縁型ともに革新的な3Dパワーパッケージング技術を組み合わせることでほぼ達成されており、将来的には性能と電力密度のさらなる向上が期待されています。しかし、一般的なモジュールとして使用する場合は、通常のSMTデバイスと同程度の機能を備えた降圧コンバータであり、同じように最終用途のアプリケーションで活躍することでしょう。