統合スイッチングレギュレータの設計で達成された新標準

電子システムおよび電子製品の設計者は、内部電源レールが機器の機能とは独立したものとして見られないことを良く知っています。もちろん、製品の性能は電圧レールの精度、ノイズレベル、および負荷過渡応答に大きく依存しますが、動作速度とシステム消費電力は、高効率スイッチングレギュレータから生成される電源レールの動的制御によって最適化することもできます。これは、「モノのインターネット」（IoT）において最も重要です。たとえば、広い入力電圧範囲で動作しながら消費電力を抑えバッテリー寿命を延ばす必要があるリモート入力センサとアクチュエータにも高機能が求められ、同時に、製品の小型化、動作温度の低下、信頼性の向上、そしてもちろん低コスト化が期待されています。

高性能システムでは、電源から個々の負荷に至る全ての段階で電力変換を把握および最適化する必要があります。複数の供給電圧レールを持ったこのような複雑なシステムでは、必要に応じて正確な電圧レールを提供し、理想的な広い入力範囲、高効率、プログラマブル出力を備えたポイントオブロード（PoL）コンバータが最適なソリューションとなります。完全なモジュールとしての「PoL」は長年にわたって存在していましたが、多くは非常に低い電圧で極めて高い出力電流、ならびに非常に狭い電源電圧範囲が必要な通信市場で使われています。今日IoT業界が必要とするのは、低コスト・柔軟・高効率・小型で、自動ピックアンドプレースシステムおよび産業環境、特に産業オートメーションシステムに一般的に使われる24V供給電圧と互換性のあるPoLです。

RECOM RPX-2.5スイッチングレギュレータおよびPoL市場における革新的な製品

低電力および高電力のDC/DCおよびAC/DCコンバータの製造における長年のリーダーであるRECOM Power [1]は、インダクタ内蔵の完全なスイッチングレギュレータソリューションであるRPX-2.5 Point of Loadコンバータを発表しました。これは、同社の非絶縁型DC/DCコンバータシリーズで最初の製品ではありません。スルーホールTO-220パッケージの78xxシリーズリニアレギュレータのピン互換品であるR78シリーズは、その高性能で多くのアプリケーションに大幅に改善された効率と全体的なコスト削減をもたらす「リニア」アプローチにより、全世界で数百万個の販売実績があります。その後、表面実装タイプのRECOM RBB、RPM、R-78AA、R-78T、R420/PL、およびROFが発売され、RPXシリーズ（図1）が製品コンセプトをさらに高いレベルに引き上げました。大手ICメーカおよび世界的なOSAT（半導体アセンブリおよびテストのアウトソーシング）企業とのパートナーシップで開発された、わずか4.6mm x 4.1mm x 2.1mmの低背RPX-2.5シリーズは、最大2.5Aの出力定格を持つフルPoL機能を備え、他の「標準」実装部品と同様に表面実装することができます。


RPX-2.5仕様

RPX-2.5は、4.5〜28V（公差 24V + 15％）の広い入力範囲と、1.2〜6Vの調整可能な出力を備えています。定格2.5Aはマージンを含んでおり、実際には高起動電流アプリケーション用により高い電流が供給可能です。効率は、12V入力と5V出力でピーク91％に達し、「スリープ」または断続的な負荷が可能なアプリケーションの負荷をわずか3％に抑えます。

セレクションガイド


入力/出力電圧の組み合わせに応じ、ヒートシンクや強制空冷なしで、指定されたPCBサイズと銅重量を基に最大85℃の周囲温度で最大出力電力が保証されます。この卓越した性能は、制御IC接合部からPCBパッドまでの熱抵抗が非常に低い「フリップチップ オン リードフレーム」（FCOL）テクノロジを備えた小型パッケージで可能になります。また、製品はオーバーモールドされており、完全な環境保護を保証したMSL3定格のリードレスQFN（Quad Flat No-lead）パッケージで提供されます。デバイスの製造は、コンパクトな設計の寄生インダクタンスの低減とともに、EMIを本質的に低減する統合されたシールドインダクタで完全に自動化されています。広範囲な出力保護により、ショート、出力過電流、および過熱状態に対する高耐性が実現されています。

外部電圧設定による柔軟性の実現

最適な柔軟性を得るために、出力電圧は「FB」ピンに接続された抵抗チェーンから外部でプリセット可能です。これにより、最適な出力電圧を選択するオプションと、最適な負荷レギュレーションのための「リモートセンシング」を実装し、「スピードアップ」フィードフォワードコンデンサ（図2のCFF）を追加して過渡過電流に対する応答時間を改善するオプションが利用可能になります。あるいは、CFFを使用せず、出力容量を追加することで過渡過電流に対する耐性を高めることができます。また、出力電圧をユーザーが選択することで、一つの部品で複数のアプリケーションをカバーすることが可能になり、在庫コストを抑えることができます（たとえば、一つの部品で1.8V、3.3V、または5V出力をカバー）。


外部からの制御で出力電圧をダイナミックに調整することは大きなアドバンテージになります。特に多くのIoT関連のアプリケーションでは、プロセッサのクロック速度と電源電圧を最適なパフォーマンスと消費電力とトレードオフできるケースがあります。たとえば、3.3V/16MHzで動作するマイクロコントローラは通常30mWを消費しますが、パフォーマンスに影響を与えずにVCCを3.2V以下に下げることはできません。µCが非アクティブモードの時（入力信号待ちなど）、クロック周波数を1MHzに下げることができ、消費電力をわずか6mW（20％）に落とすことができます。ただし、1MHzのクロック周波数では、電源電圧範囲は非常に広くなり、機能に影響を与えることなく1.8Vに低減できます。この低電源電圧により、消費電力が1.2mWにまで低下し（フルパフォーマンス動作と比較して4％または25倍の減少）、エネルギースカベンジング（エネルギー回生）技術の領域に入ります（図3）。この適応電源電圧機能は、FBピンからマイクロコントローラI/Oピンへの接続が可能なRPX-2.5で簡単に実現でき、µCの抵抗値を切り替えて独自の電源レールに適合させることができます。


完全なソリューション

RPX-2.5を正しく機能させるには入力コンデンサが必要ですが、これは小型の10µF MLCCタイプが使用可能です。ダイナミック高出力負荷アプリケーションには1.25A以上のリップル電流定格と並列の47µF電解タイプが推奨されますが、多くのユーザーにとって既に電源出力に十分な容量があるケースが多くあります。EN55032クラスBに準拠するために、直列入力インダクタを追加でき、同様に出力電圧と負荷によって出力コンデンサが必要になります。データシートに沿い可能な限り最適な入力・出力を規定する必要がある固定内部コンデンサと比較して、ユーザーが必要に応じて入力および出力コンデンサを追加でき、アプリケーションに最適化されたサイズと電圧定格により、全体的に小型で低コストのソリューションが実現できます。出力コンデンサは、たとえばマイクロコントローラの電源ピンに隣接した最適な位置に実装することもできます。

シャットダウンおよび低電圧ロックアウト機能

RPX-2.5のシャットダウンピン（CTRL）をグラウンドにプルダウンすることにより、デバイスの起動/シャットダウンを無効にしたり、シーケンス制御することができます。ピンは内部で電流源からプルアップされているため、外部ドライブはスイッチ、オープンコレクタ、オープンドレイン、または3.3V/5Vロジック信号になります。OFF状態では、RPX-2.5の消費電流は通常わずか2.5µAです。CTRLピンの便利な追加機能として、入力低電圧ロックアウトレベル制御があります。デフォルトではUVLOは4.1Vですが、入力からCTRLピンへの分圧器によりレベルを高く設定できます。これは、たとえば12Vまたは24Vバッテリーからのより高い公称入力電圧を使用して、設定レベル以下での深放電を防ぐ場合に有効です。 図4。


もっと電力が必要ですか？

多くの場合、PoLは、送信モードのGSMモジュールなどの非常にダイナミックな負荷にピーク電力を供給する必要があります。解決策の一つは、最大ピーク電流の定格となるようにコンバータを設定することですが、これには低出力負荷で効率が低下するというデメリットがあります － 一方、PoLに非常に短時間のピーク過電流がある場合、それをより小さく、より効率的かつ低コストにすることが可能です。RPX-2.5は、5秒で3.2A以上になる30％の「ブースト」機能を持っており、これは、高電力のデータ送信または高起動電流を可能にするのに十分短い時間と言えます。これによりデバイスの信頼性が損なわれることは無く、Telcordia信頼性ガイドSR-232によると、デバイスの25℃でのMTBFは4億時間に達します。

アプリケーション

RPX-2.5は入力と出力の範囲が広いため、多分野のアプリケーションに適しています。通常、+15％公差の24V産業オートメーション電源とともに使用され、制御基板に3.3Vまたは5Vを供給できます。パッケージサイズの小ささから、他の可能性が広がります。たとえば、センサ用に出力を5Vから3.3Vに下げてコネクタに組み込むことができます。RPX-2.5は、オートメーションテスト機器、医療機器、イメージング機器、高密度電源システムなど、IoTをはじめとする多くの機器にマッチします。

RECOMは評価ボードRPX-2.5-EVM-1を提供します。このボードは、一般的な出力電圧が選択でき、リモートセンスおよび低電圧ロックアウト機能を実行および評価できます。 EN55032クラスBに準拠するためにフィルタリングが含まれていますが、動作条件と予算に対して最適なEMC性能を得るために、代替コンポーネントによる実験用の配線も備えられています。このボードにより、RPX-2.5の全電力性能に適した熱設計も可能です。

Samples and OEM pricing are available from all authorized distributors or directly from RECOM.

[1] RECOM www.recom-power.com
[2] RPX data sheet Visit RPX serie

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