モジュール式プラットフォームを活用してDC/DCレギュレータの評価を簡素化
著者 Stephen Evanczuk 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2026-05-12
マルツ掲載日：2026-10-05
DC/DCスイッチングレギュレータは、幅広いアプリケーションにおける電源供給の基盤となっていますが、特定の設計に最適なトポロジやサポート部品を選択することは、依然として大きな課題となっています。設計者は通常、基板スペース、効率、熱性能、電磁干渉(EMI)の要件を満たすために、個別の評価ボードや一貫性のないテスト環境を必要とする、時間のかかるプロセスに直面しています。
設計者に必要なのは、一貫性があり再現性のある試験条件下で複数のコンバータトポロジを直接比較できるようにすることで、パワー段の選択を迅速化できる体系的な評価アプローチです。同様に重要なのは、そのアプローチが、サブモジュール間で安定した動作を示す堅牢な受動部品や相互接続部品に基づいていることです。そうすることで、測定値の差異が試験環境ではなく、レギュレータやインダクタの選択によるものであることが明確になります。
本記事では、レギュレータの設計と評価における課題について解説します。続いて、Würth Elektronikの部品を紹介し、Microchip Technologyが設計したモジュール式プラットフォームに安定した基盤を提供することで、いかにして信頼性の高いDC/DCコンバータの評価を可能にするかを示します。
従来の方法ではレギュレータの直接比較が難しい理由
新規設計のDC/DCスイッチングレギュレータを評価する際、技術者はレギュレータのトポロジや動作特性に関する複数の決定に直面します。実際には、アプリケーションによって、昇圧(ブースト)、降圧(バック)、または定電流LEDドライバ段のトポロジを選択するのが一般的です。
各レギュレータタイプについて、対象とする動作環境には、入力電圧範囲、出力電圧、負荷電流に関する幅広い要件に加え、静止電流、低電圧ロックアウト(UVLO)、出力遮断、パルス周波数変調/パルス幅変調(PFM/PWM)動作、保護機構などの機能に対する具体的なニーズが組み合わされています。
これらの要件に加え、限られた基板スペース、効率、熱性能、EMIといった相互に関連する課題のバランスを取る必要性によって、レギュレータの選択はさらに複雑になっています。基板スペースは限られているため、より小型の受動部品やより高密度なレイアウトが求められるようになり、その結果、性能が低下する可能性が高くなります。
実際の負荷電流下での効率と熱挙動については、レギュレータとその受動部品が、許容できない温度上昇を伴わずにアプリケーションのデューティサイクルを維持できることを確認するための特性評価が必要です。EMIに関する挙動は、多くの場合、レイアウト、スイッチング周波数、およびインダクタの特性がすでに決定されている評価サイクルの後半になって初めて明らかになります。
従来の評価方法では、通常、候補となる各レギュレータを専用の基板上で個別に評価し、それぞれ独自のレイアウト、コネクタ形式、受動部品の選定が行われます。このアプローチでは、設計者が異なるタイプのレギュレータを直接比較し、その動作特性を評価することは難しくなります。
さらに、設計者はレギュレータの評価に時間を費やす代わりに複数の試作品を組み立てることになり、その結果、結果の直接的な比較が複雑化し、厳しい製品スケジュールを維持しなければならないというプレッシャーが高まる中で、評価サイクルが遅延することになります。
MicrochipのBB22H52Aビルディングブロックソリューションスイッチャ(BBS-SW)ボードは、Würth Elektronikの部品製品ラインアップを基盤としており、設計者が一貫した試験条件下で複数のDC/DCスイッチングレギュレータ構成を効率的に評価できるように特別に開発されたモジュール式評価プラットフォームです。
一貫したプラットフォームを通じてDC/DCレギュレータ評価の課題に対応
MicrochipのBB22H52A BBS-SWボード(図1)は、7つの独立したDC/DCコンバータサブモジュールを1枚のプリント回路基板(プリント基板)上に配置したモジュール式アーキテクチャにより、この評価上の課題に対応しています。各サブモジュールは、独自の入力端子と出力端子、イネーブル(EN)ネットワーク、専用の受動部品セットを備えた異なるスイッチングレギュレータを実装していますが、基板層構成、グランド基準、コネクタ仕様は同じになっています。
図1：BB22H52A BBS-SWは、共通の層構成を持つ1枚の基板上に7つの独立したDC/DCコンバータサブモジュールを配置しており、同一の試験条件下での直接評価を可能にしています。(画像提供：Microchip Technology)
これら7つのサブモジュールは、3つの異なるトポロジクラスを代表しており、入力電圧は1.5V～50V、出力電圧は3.3V～24V、出力電流は100mA～1Aの範囲をカバーしています(図2)。機能セットには、低静止電流(IQ)バッテリ動作、プログラム可能なUVLO、定電流LED駆動などが含まれています。
図2：BB22H52Aサブモジュールは、入力電圧1.5V～50V、出力電圧3.3V～24V、出力電流100mA～1Aに対応しています。(画像提供：Microchip Technology)
2つの昇圧レギュレータ、BBS1(MCP16251)とBBS3(MCP16411)は、バッテリ駆動設計に典型的な低電圧、低電流のレールを対象としています。MCP1663をベースとした2つの昇圧レギュレータ、BBS4とBBS5は、低電圧入力からより高い12Vと24Vのレール電圧を生成します。この評価ボードには、同期整流式降圧レギュレータであるBBS2(MCP16311)、非同期整流式降圧レギュレータであるBBS7(MCP16331)と定電流LEDドライバであるBBS6(MCP1664)も搭載されています。
すべてのサブモジュールにおいて、このプラットフォームは一貫した評価インフラを維持しています。すべての入出力には、標準化された2.54mmのターミナルコネクタが使用されています。各サブモジュールのENピンは、デフォルトで抵抗を介してハイレベルにプルアップされており、入力電圧を印加することで電源投入が可能になります。同じENピンの動作規約により、単一接続によるシャットダウンモードの評価もサポートしています。テストポイントとアクセス可能な測定ノードにより、電圧、電流、リップルの特性評価が容易になります。
モジュールの統一性により、設計者はサブモジュール間で共通の基準を得ることができ、トポロジを問わず同一のテストシーケンスを実行し、ボードレベルの相違ではなく、レギュレータやインダクタに関連する差異として、その違いを確実に評価することが可能になります。これらの評価目標を達成するには、一貫したプラットフォームアーキテクチャと、堅牢な部品群、特に各コンバータトポロジの要件に適合したインダクタが必要です。
コンバータトポロジの要件と堅牢な部品の適合
BB22H52A全体において、7つのサブモジュールには、Würth Elektronikのインダクタ、ターミナルブロック、セラミックコンデンサ、厚膜抵抗が搭載されています。WürthWR-TBLターミナルブロックは、前述の一般的な2.54mm入出力規格に対応しています。クラス1とクラス2の誘電体を網羅する製品ラインナップから選ばれたWürthの積層セラミックチップコンデンサ(MLCC)は、各サブモジュールにおける入力フィルタリング、出力フィルタリング、デカップリングを担っています。
これらの受動部品の中で、インダクタは通常、アプリケーションの影響を最も受けやすい部品と見なされています。インダクタは、効率、熱的挙動、EMI特性、および基板上の実装面積を直接左右します。インダクタの選択基準はトポロジによって異なるため、Microchipのボードでは、WE-MAPI、WE-XHMI、WE-MXGIという3つのWEインダクタファミリを採用することで、設計者に選択肢を提供します。
降圧コンバータにおいて、インダクタは、レギュレータのスロープ補償やスイッチング周波数と相互作用しながら、出力電流のリップルを決定します。昇圧コンバータ(図3)では、インダクタはレギュレータのスイッチングノードに配置され、その平均電流は出力対入力電圧比に比例し、ピーク電流はリップルが増加するにつれてさらに上昇します。
MicrochipのMCP1663向け設計ガイダンスでは、出力電圧が15V未満の場合は4.7µH、15V以上の場合は10µHを推奨しており、これは、12V出力モデルBBS4に搭載されているWürth Elektronikの7443844020047 4.7µHインダクタ、および24V出力モデルBBS5に搭載されている744393305100 10µHインダクタに直接対応しています。
図3：MCP1663の代表的な昇圧アプリケーションでは、インダクタはレギュレータのスイッチングノードに配置され、インダクタンス値は目標出力電圧に合わせて選択されます。(画像提供：Microchip Technology)
あらゆるトポロジにおいて、インダクタンス値は基本的なトレードオフの要因となります。インダクタンスが高いほど、リップル電流とコア損失は減少しますが、物理的なサイズと直流抵抗(DCR)は増加します。構造も重要であり、電磁両立性(EMC)が重要なアプリケーションでは、隣接する配線や部品との制御不能な結合を防ぐため、磁気シールドされたインダクタの使用が推奨されます。BB22H52Aで使用されるWürthの3つのインダクタファミリはすべて磁気シールドされており、それぞれがサイズ、効率、EMIのトレードオフの異なる組み合わせに対応しています。
BBS1、BBS2、BBS7に搭載されているWE-MAPIインダクタは、自己シールド構造の小型磁性合金コアを使用しています。このファミリはAEC-Q200の認定を受けており、Würthの比較レポートによると、24Vから12Vへの降圧段において、2A、500kHzの条件下で、他社製品と比較して総電力損失が17～28%低減されています。BBS1には、－55℃～+150℃の定格を持つ高温対応品が採用されており、過酷な環境下での設計における認定マージンを拡大しています。
BBS5に搭載されているWE-XHMIインダクタは、DCRを低減し、飽和電流(ISAT)を向上させる複合コアを採用した平線コイルを使用しています。これらの特性は、24V昇圧段で要求される高いインダクタ電流と、より厳しい熱マージンを直接サポートします。
BBS3、BBS4、BBS6に搭載されているWE-MXGIインダクタは、1MHzを超えるスイッチング周波数に最適化された鉄合金材料を採用しており、極めて低いDCRとAC損失を実現しています。これらの特性により、1つの部品で昇圧(BBS3、BBS4)とLEDドライバ(BBS6)の両トポロジにおいて効果的に使用できます。また、モールド構造により、ユニット間のばらつきが少なく、量産全体を通じて実験室での測定結果が維持されます。
これら3つのインダクタファミリは、DC/DCレギュレータの評価を複雑にする3つの相互に関連する課題に以下のように対応しています。
・WE-MAPIは、基板スペースに制約のあるサブモジュールを対象としており、不要輻射やカップリングを低減するシールド構造を採用することで、EMI特性を向上させています。
・WE-XHMIは、より高い出力電圧と負荷において必要な電流および熱マージンを提供します。
・WE-MXGIは、1つのインダクタファミリで複数のトポロジに対応し、実験室での評価結果を量産に反映できる、高周波損失プロファイルと安定性を実現します。
Würthの幅広い受動部品製品ラインアップと組み合わせることで、これらの3つのインダクタファミリは、BB22H52Aにトポロジを問わず一貫した評価動作をもたらします。
7つのサブモジュールが示す主要な設計上のトレードオフ
トポロジ間の比較を可能にするだけでなく、BB22H52Aのレギュレータ選定は、各トポロジクラス内で繰り返し生じる特定の設計上のトレードオフを浮き彫りにしています。同一出力かつ同一ICのバリエーションを1枚の基板上に並べて配置したこのプラットフォームにより、設計者は機能の深さ、出力構成、およびトポロジの選択が、それぞれレギュレータの動作にどのような影響を与えるかを確認できるようになります。
BBS1とBBS3の2つの低電圧昇圧サブモジュールは、いずれも公称1.5V入力を3.3Vに昇圧しますが、提供する機能セットは大きく異なります。BBS1に搭載されたMCP16251は、完全負荷遮断機能オプションとPFMモードでの4μAの静止電流により、バッテリの寿命を重視しています。一方、BBS3に搭載されたMCP16411は、同様の5μAという静止電流でありながら、より充実した監視と保護機能を重視しています。
高電圧昇圧サブモジュールであるBBS4とBBS5は、同じMCP1663レギュレータを共有していますが、それぞれ12Vと24Vの出力を生成します。これは、出力構成によって単一レギュレータから得られる最大負荷電流が決まること示しています。MCP1663は非同期整流式であるため、各サブモジュールには外付けのショットキーダイオードが搭載されており、BBS1の同期整流式昇圧コンバータと比較して、部品点数におけるトレードオフが示されています。
2つの降圧サブモジュールはAEC-Q100の認定を受けており、同期整流式と非同期整流式の典型的なトレードオフを示しています。BBS2に搭載されたMCP16311は、最大30Vの入力と、1Aの出力に対応した同期整流式降圧コンバータであり、外付け整流器なしで高効率を実現します。BBS7に搭載されたMCP16331は外付けのショットキーダイオードと出力電流の低下を代償として、入力電圧範囲を50Vまで拡張した非同期整流式降圧コンバータです。
BBS6は、MCP1664 LEDドライバが電圧ではなく出力電流を制御し、最大8個の白色LEDを直列に駆動するという、異なるアプローチを採用しています。無負荷保護およびPWM調光機能により、LED専用の機能セットが完成しています。
評価の迅速化とカスタムソリューションへの移行
完全に組み立てられ、テスト済みのBB22H52Aサブモジュール(BBS1など、図4参照)を使用すれば、設計者は外部電源を入力端子に接続し、負荷をVOUTとGNDに接続するだけで評価を開始できます。
前述の通り、このレギュレータは入力電圧が印加されるとすぐに電源が投入されます。電源が投入された状態で、VOUTに電圧計を接続すると、レギュレータ出力電圧を確認できます。この出力電圧は、入力電圧や負荷が変化しても、定格出力に極めて近い状態を維持します。
図4：BB22H52A BBS1サブモジュールの評価を開始するには、設計者は実験用電源、電圧計、および負荷を接続するだけで済みます。(画像提供：Microchip Technology)
評価以外にも、BB22H52AはカスタムDC/DCコンバータを構築するためのリファレンス設計として活用できます。これには、7つのサブモジュールすべての完全な回路図、4層プリント基板レイアウト、および入手容易なMicrochipのレギュレータICとWürthの受動部品をベースとした部品表(BOM)が含まれています。
まとめ
新規設計に適したDC/DCスイッチングレギュレータを選択するには、トポロジの選択、基板スペース、効率、熱性能、およびEMI特性のバランスを取ることが求められます。BB22H52A BBS-SWは、各トポロジの特定の要求に適合した3つのインダクタファミリをはじめ、ターミナルブロック、セラミックコンデンサ、厚膜抵抗など、Würth Elektronikの堅牢な部品製品ラインアップを基盤としたモジュール式評価アーキテクチャを通じて、これらの課題の解決を支援します。
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