ダウンコンバータ: 回路から完結したモジュールへ

Buck converter circuit diagram
降圧コンバータは、100年以上前から使用されており、現在の電子回路には欠かせない部品です。この記事では、粗悪な電気機械部品が、数百ワットの電力を処理できる小型ユニットへと進化した様子を紹介します。

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。


図1:降圧コンバータの基本要素(画像出典:RECOM)

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。



図2:統合ダウンコンバータの種類(画像出典:RECOM)

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。
Semiconductor assembly cross-section
図3:リードフレーム上のフリップチップ構造
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)。
RECOM RPX-2.5 buck converter with dimensions
図4:チップインダクターを内蔵したRECOM RPX降圧コンバータのPOLモジュールとリードフレーム上のフリップチップデザイン(画像出典:Recom)
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。

アプリケーション
  Series
1 DC/DC, 5.0 W, Single Output, SMD (pinless) RPX-1.0 Series
Focus
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 36VDC input voltage, 1A output current
  • SCP, OCP, OTP, and UVLO protection
  • 3.0 x 5.0mm low profile QFN package
2 DC/DC, 7.5 W, Single Output, SMD (pinless) RPX-1.5 Series
Focus
  • Buck regulator power module with integrated shielded inductor
  • 36VDC input voltage, 1.5A output current
  • SCP, OCP, OTP, and UVLO protection
  • 3.0 x 5.0mm low profile QFN package
3 DC/DC, 5.0 W, Single Output RPX-1.0-EVM-1 Series
  • Evaluation platform for RPX-1.0 buck regulator module
  • Thermal design considerations included
  • EMI class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions
4 DC/DC, 7.5 W, Single Output RPX-1.5-EVM-1 Series
  • Evaluation platform for RPX-1.5 buck regulator module
  • Thermal design considerations included
  • EMI class B filter
  • Easy evaluation of output voltage selection, control, and sensing functions