POL(Point Of Load)DC/DCコンバータが電源システム設計の課題を解決
2023/12/22
電源の最も基本的なレベルの仕事は、入力AC電圧を1つ以上の低電圧および高電流のDC電圧に最も効率的な方法で変換することです。ワイヤ抵抗を低減して同じ結果を達成しようとすると、導体断面積を4倍にする必要があり、重量とコストが増加します。RECOMは、パワーレールに最適な、コスト効率が高く、高効率のDC/DCレギュレータの2つの新しいシリーズを「Point of Load」ソリューションとして発表しました。
一般的な設計は、AC主電源から得られる電力を最大化し、さまざまな力率要件を満たすための力率改善回路（PFC）を含むバルクAC/DC変換ブロックから始まります。
DC/DCセクションを設計する方法は数多くありますが、電源効率、サイズ、速度、コストの向上を目指して、電源アーキテクチャは大きくて非効率的な集中型電源アーキテクチャ（CPA）から、コンパクトで高効率の分散型電源アーキテクチャ（DPA）および中間バスアーキテクチャ（IBA）へと進化してきました。
図2は3種類の設計を示しています。CPAは全てのシステム電圧を中央で生成し、その後配電バスを使用して12V、5V、3.3Vなどの必要なDC電圧を個々のPCBやデバイスに配線します。
対照的に、DPAとIBAは24Vまたは48Vというより高いDCシステム電圧に依存しています。次に、Point of Load（PoL）DC/DCコンバータが電圧を必要な値に変換します。その名前が示す通り、PoL DC/DCコンバータは可能な限り負荷に近い位置にあります。
DC/DCセクションを設計する方法は数多くありますが、電源効率、サイズ、速度、コストの向上を目指して、電源アーキテクチャは大きくて非効率的な集中型電源アーキテクチャ（CPA）から、コンパクトで高効率の分散型電源アーキテクチャ（DPA）および中間バスアーキテクチャ（IBA）へと進化してきました。
図2は3種類の設計を示しています。CPAは全てのシステム電圧を中央で生成し、その後配電バスを使用して12V、5V、3.3Vなどの必要なDC電圧を個々のPCBやデバイスに配線します。
対照的に、DPAとIBAは24Vまたは48Vというより高いDCシステム電圧に依存しています。次に、Point of Load（PoL）DC/DCコンバータが電圧を必要な値に変換します。その名前が示す通り、PoL DC/DCコンバータは可能な限り負荷に近い位置にあります。
両方のアーキテクチャは電力損失を最小限に抑えることを目指しています。抵抗性接続を介して電源から負荷に電力を伝えると、ワイヤ、バスバー、またはPCBトレースであろうと、熱の形で電力損失が生じます。これは配電損失として知られるものです。電流の配電損失は電流の2乗に比例し、P= I2Rで示されます。ここでのRはワイヤまたはバスバーの抵抗です。これを減らすには、電流またはワイヤの抵抗を減らす必要があります。
同じ合計電力を負荷に供給しながら電流を減らすには、電圧を増加させる必要があります（P=VI）。たとえば、電圧を2倍にして24Vから48Vにすると、電流が50%減少し、配電損失が75%減少します。ワイヤ抵抗を低減して同じ結果を達成しようとすると、導体断面積を4倍にする必要があり、重量とコストが増加します。
熱管理の向上も、分散型電源アーキテクチャに切り替えるもう1つの理由です。分散設計により、発熱要素が機器の表面積全体に分散され、ホットスポットが最小限に抑えられます。電子部品にとって熱は大敵です。動作温度の上昇が故障率の増加につながるということが実証されています。スポーツスタジアムやラスベガスで使用される大型LEDディスプレイなどの一部の用途では、過剰な熱の影響が顕著です。LEDの光出力は、ジャンクション温度が上昇すると低下します。局所的なホットスポットにより、LEDの故障が早くなり、動作寿命全体を通じて暗く見える可能性があります。
同じ合計電力を負荷に供給しながら電流を減らすには、電圧を増加させる必要があります（P=VI）。たとえば、電圧を2倍にして24Vから48Vにすると、電流が50%減少し、配電損失が75%減少します。ワイヤ抵抗を低減して同じ結果を達成しようとすると、導体断面積を4倍にする必要があり、重量とコストが増加します。
熱管理の向上も、分散型電源アーキテクチャに切り替えるもう1つの理由です。分散設計により、発熱要素が機器の表面積全体に分散され、ホットスポットが最小限に抑えられます。電子部品にとって熱は大敵です。動作温度の上昇が故障率の増加につながるということが実証されています。スポーツスタジアムやラスベガスで使用される大型LEDディスプレイなどの一部の用途では、過剰な熱の影響が顕著です。LEDの光出力は、ジャンクション温度が上昇すると低下します。局所的なホットスポットにより、LEDの故障が早くなり、動作寿命全体を通じて暗く見える可能性があります。
DPAかIBA — どうやって決めるのか？
多くの産業用およびファクトリーオートメーションアプリケーション では、デジタルデバイスのシステム電圧として5Vまたは3.3Vが使用されます。これらのアプリケーションは、48Vレールをより低い電圧に降圧するために各負荷にそれぞれ1つのPoL DC/DCコンバータを備えたDPAに適しています。
しかし、4Gおよび5G通信設備、データセンターの高性能ブレードサーバーラック、クラウドコンピューティング、エンタープライズITシステムなど、他の多くのアプリケーションは、主に1.8V以下の電圧で動作するMPU、GPU、ASICなどの小さなジオメトリ設計のデジタルデバイスに依存しています。これらのデバイスは、電源からの数百アンペアの出力と非常に高速な過渡負荷応答を必要とします。DC/DCコンバータのスイッチングトランジスタのデューティサイクルが非常に低くなり、過渡応答が低下するため、48Vを1ステップで1.8Vに降圧するのは非効率的です。
このような場合、IBAが推奨されます。中間のDC/DCコンバータステージでは、48Vを3.3Vや5Vなどの電圧に変換し、最終のPoL DC/DCコンバータが3.3Vから1.8Vへの変換を行います。さらに、入力と出力の比率が小さいため、応答時間が大幅に短縮されます。
しかし、4Gおよび5G通信設備、データセンターの高性能ブレードサーバーラック、クラウドコンピューティング、エンタープライズITシステムなど、他の多くのアプリケーションは、主に1.8V以下の電圧で動作するMPU、GPU、ASICなどの小さなジオメトリ設計のデジタルデバイスに依存しています。これらのデバイスは、電源からの数百アンペアの出力と非常に高速な過渡負荷応答を必要とします。DC/DCコンバータのスイッチングトランジスタのデューティサイクルが非常に低くなり、過渡応答が低下するため、48Vを1ステップで1.8Vに降圧するのは非効率的です。
このような場合、IBAが推奨されます。中間のDC/DCコンバータステージでは、48Vを3.3Vや5Vなどの電圧に変換し、最終のPoL DC/DCコンバータが3.3Vから1.8Vへの変換を行います。さらに、入力と出力の比率が小さいため、応答時間が大幅に短縮されます。
RECOMのPoLアプリケーション用DC/DCコンバータ
RECOMは、高コスト効率かつ高効率のDC/DCレギュレータの2つの新しいシリーズであるRPMGS-20 および RPMGS-20を発表しました。これらは、DPAのPoLソリューションとして24V、28V、および48Vの電源レールに非常に適しています。
RPMGQ-20とRPMGS-20は、出力定格が20Aのオープンフレームスルーホール非絶縁DC/DCバックコンバータ です。RPMGQ-20は業界標準の1/4ブリックフォーマットですが、RPMGS-20は標準の1/16ブリックピン配列を備えた36.83mm×34.04mm（1.45インチ×1.34インチ）の新興標準パッケージサイズです。両製品とも取付面からの高さは最大15mmとなります。これらの部品は18V～75Vの入力で動作し、オプションの公称出力は5Vまたは12Vで、それぞれ3.3V～8Vおよび8V～24Vの広い範囲にわたってトリミング可能です。
RPMGQ-20およびRPMGS-20部品の効率は非常に高く、12V出力バージョンでは98%、5V出力バージョンでは94%に達し、約10%の負荷までほぼ平坦な効率曲線を示します。低損失と高度な熱設計により、すべてのバリエーションで90°Cを超える周囲温度までのエアフローで全負荷が利用可能で、ディレーティングは120°Cです。
これらの製品は、入力低電圧、出力過電流、短絡、過熱に対する包括的な保護を備えています。リモートセンスおよび制御入力も提供されます。
RPMGQ-20とRPMGS-20は、出力定格が20Aのオープンフレームスルーホール非絶縁DC/DCバックコンバータ です。RPMGQ-20は業界標準の1/4ブリックフォーマットですが、RPMGS-20は標準の1/16ブリックピン配列を備えた36.83mm×34.04mm（1.45インチ×1.34インチ）の新興標準パッケージサイズです。両製品とも取付面からの高さは最大15mmとなります。これらの部品は18V～75Vの入力で動作し、オプションの公称出力は5Vまたは12Vで、それぞれ3.3V～8Vおよび8V～24Vの広い範囲にわたってトリミング可能です。
RPMGQ-20およびRPMGS-20部品の効率は非常に高く、12V出力バージョンでは98%、5V出力バージョンでは94%に達し、約10%の負荷までほぼ平坦な効率曲線を示します。低損失と高度な熱設計により、すべてのバリエーションで90°Cを超える周囲温度までのエアフローで全負荷が利用可能で、ディレーティングは120°Cです。
これらの製品は、入力低電圧、出力過電流、短絡、過熱に対する包括的な保護を備えています。リモートセンスおよび制御入力も提供されます。
まとめ
より高い効率、より優れた熱管理、より高い過渡性能に対する要求がますます強くなっているため、電源アーキテクチャ設計の改善が推進されています。高効率のPoLおよび中間バスDC/DCコンバータは、これらの新しいアプローチの重要なコンポーネントであり、RECOMの新しいRPMGQオープンフレーム設計は分散型電源アプリケーションに最適です。
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