高度な設計が進む低消費電力型DC/DCコンバータ

電子回路で直流電圧を別の電圧に変換することは、50年以上にわたって進化してきました。最新の設計は信じられないほど高い電力密度を持ち、それに伴って電力損失を低く抑えるための効率も向上しています。RECOMの現在の設計には、ハイパワー電源の設計技術を応用し、最小パッケージの低ワットコンバータに役立つ多くの革新的技術が含まれています。

最初のDC/DC変換ソリューションは、すべて低ノイズのリニア設計で容易に使用できましたが、2つの大きな欠点を有していました。第一に、出力電圧は常に入力電圧より低くなければなりませんが、リニア・レギュレータは非常に非効率で、供給された電力のかなりの割合を熱として放散してしまいます。第二に、入力と出力の電圧差によって、リニアレギュレータの効率は60％以下になることもあります。

スイッチングDC/DCコンバータの発明は、この2つの問題を解決しましたが、より複雑な設計手法を必要としました。リニア設計とは対照的に、スイッチング・コンバータは誘導成分と容量成分のエネルギー蓄積特性を利用して、電力を離散的なパケットで転送します。パルスの電力は、インダクタの磁界またはコンデンサの電界に蓄積されます。

スイッチング・コントローラは、各スイッチング・サイクルで負荷が必要とする電力のみが転送されるようにし、このトポロジーを非常に効率的なものにしています。ベストケースでは、97%以上の効率を達成することができます。図1に、スイッチングDC/DCコンバータの簡略ブロック図を示します。

図1のスイッチ機能は、高効率の「オン」「オフ」状態を制御されたシーケンスで交互に繰り返すパワートランジスタによって実行されます。これは、リニア設計における連続動作とは対照的です。スイッチングDC/DCコンバータは、入力より高いまたは低い出力（昇圧または降圧）を生成したり、入力から出力への電圧を反転させることができます。

出力は，レギュレーテッドまたは非レギュレーテッドのいずれかになります。非レギュレーテッド・コンバータの出力電圧は、負荷電流や入力電圧の変動に伴って大きく変化します。レギュレーテッド設計では、フィードバック制御ループ（図1内の点線）が出力電圧をスイッチングブロックにフィードバックします。これにより、入力電圧の変化（例えば、電源電池が徐々に消耗する）や負荷の変化による出力電圧の偏差にかかわらず、所望の値から出力電圧を補償するようにスイッチング動作が変化します。

最も単純なスイッチング・トポロジーは、入力と出力の間で共通のグラウンド電流経路を共有するため非絶縁型であり、誘導素子はインダクタです。絶縁型コンバータは、トランスの互いに結合した巻線による電磁界を介して電力を転送するため、入力と出力の間にガルバニック絶縁を提供します。出力は入力から電気的に絶縁されているため、入力電圧が出力と同極性であっても逆極性であっても問題にはなりません。リニア設計では、グラウンドリターン電流が入力と出力の間を直接流れるので絶縁の選択肢はなく，必要なピンはVin，コモン・グラウンド、Voutの3つのピンだけです。

低電力用DC/DCコンバータトポロジー

電源設計において、性能の向上はコストの上昇、複雑化、設置面積の増大と密接に関係していることは、ほぼ間違いありません。小型DC/DCコンバータのユーザーは、コンパクトなサイズと費用対効果を重要視していますが、RECOMはどのようにして低電力絶縁型DC/DC製品でその要求を満たしているのでしょうか？

プッシュプルトポロジーは絶縁型DC/DCコンバータに広く使用されています。トランスの巻数比が出力電圧の関係を決定するため、より高い電圧、より低い電圧、あるいは反転した電圧を生成するための低コストな方法です。このトポロジーは単純で、適度に効率的であり、電磁波の放出も比較的少ないのです。


図2は，絶縁型プッシュプルDC/DCコンバータのブロック図であり、出力は非レギュレーテッドです。省スペース化のため、発振器と駆動トランジスタを専用のプッシュプルトランスドライバICに統合することができます。

レギュレートされた出力を得るには、図3に示すように、2次側にリニアレギュレータを+Voutラインと直列に接続する方法が最もシンプルです。この方法は求められた目的を達成するもので、ワット数の低いDC/DC設計に適しています。


例えば，RECOMのRYKシリーズでは，リニアレギュレータが短絡保護とレギュレートされた低ノイズ出力を提供します。

このタイプの設計では、65～75％程度の効率を達成することができます。1Wまたは2Wを超えると、効率を最大化することがより優先されるようになり、より高度な設計が必要になります。そこで、2次側レギュレーションの代わりに1次側レギュレーションが使われます。リニアレギュレータの代わりに、2次側で出力電圧を監視し、目的の電圧と比較してエラー電圧を生成し、1次側の発振器コントローラに送り返します。これにより、スイッチング周波数が調整され、誤差がゼロになるように駆動されます。これは絶縁設計であるため、エラー信号もまた絶縁されていなければなりません。図4は、RECOMの定格3W以上のコンバータで使用されているこの方法を示しており、約85％の効率を実現しています。

さらに高出力のDC/DCコンバータでは、より高度なアプローチが必要です。リニア・レギュレータは、上述のように電力を浪費するだけでなく、2次側の2つのダイオードも損失源となります。パワーダイオードの順方向電圧降下は通常0.5Vで、1Aで0.5Wの電力損失となります。

その解決策として、ダイオードとリニアレギュレータを、2つのFETとコントローラで構成される同期整流器に置き換えます。

になり、逆方向部分でオフになることで、整流器として機能します。高速スイッチングと約10mΩという非常に低いオン抵抗_DS(ON)の組み合わせは、FETを理想的な整流器としています。欠点はアクティブに駆動しなければならないことで、内部電圧を感知して出力波形に同期して2つのFETを正しくオン・オフするタイミング回路と駆動回路を追加する必要があることです。ダイオードはパッシブデバイスであり、機能するための追加回路は必要ありませんが、同期整流による効率の向上は、高出力電流コンバータの複雑なコスト増を補って余りあるものです。


この同期整流器は、最大89%の効率を達成できるRECOMの20W DC/DCコンバータRP20ファミリーに採用されています。この設計には、先に説明した絶縁エラー信号も含まれています。最後に、図6のRP20は、広い負荷範囲で85～89%の効率を達成することができます。

結論

より大きな電源設計から得た設計技術を，最も低いワット数のDC/DCコンバータに適用することで，より高い効率が実現されます。電力レベルが上がるにつれて顧客の優先順位は変化するため、適切な変更を加えなければなりません。RECOMは、コストとサイズの最適な組み合わせのために、適切な設計選択を可能にするテクノロジーリーダーです。