小型の降圧電源モジュールが設計者による内製か外製かの判断を簡素化
著者 Bill Schweber 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2020-08-11
マルツ掲載日：2020-11-30
電子デバイスは広く普及しており、IoTや医療機器、ウェアラブルから、スマートビルディング、インテリジェントセンサ、および無数の消費者製品に至るまで、あらゆる場所に組み込まれています。
主な電源がライン動作のAC/DCコンバータや電池であるかにかかわらず、課題はこれらのデバイスに、1つ以上の低電圧で、適切に安定化され、正常に動作するDC電源レールを提供することです。
厳密な安定化を提供するという主な機能に加えて(しばしば広範な入力電圧範囲から動作)、これらのデバイスの降圧DC/DCサブシステムは、小型、効率的、電気的に静かで、厳格な規制要件を満たす必要があります。
設計者には、このDC電源を提供するための明確な選択肢が2つあります。独自のDC/DCサブシステムを設計および構築(「内製」)するか、すぐに使用できる完成した市販モジュールの購入を選択することができます。
「内製」にはカスタマイズの観点で利点がありますが、電源設計は技術、技能、技巧、および多少の運を組み合わせたものなので、コスト増や遅延が発生する可能性があります。最近まで、「内製か外製か」の判断基準として、ハイレンジ(>100W)やミッドレンジ電源(>約10Wから<約100W)では、外製が技術的およびコスト的に道理にかなっていました。
一方、ローエンド(<約10W)では、しばしば「内製」と判断されました。設計者は、低ドロップアウト(LDO)やスイッチングレギュレータIC、少数の外部受動部品を使用して、独自の降圧ユニットを作成することができました。
しかし現在、ますます厳しくなる市場投入までの時間の要件や小型完成モジュール分野でのイノベーションが原因で、外製という判断は低電力レベルにおいてもはるかに魅力的で合理的になっています。
この記事では、Maxim IntegratedのHimalaya uSLIC降圧DC/DC電源モジュールファミリを例として使用し、より低いDC/DC電源供給に関連した主なパラメータや性能要件、およびソリューションについて考察します。
基本性能はその始まりにすぎない
他の電源と同様に、低電力降圧DC/DCレギュレータは、入力電圧範囲、出力電圧設定(固定または可変)、最大出力電流という少数の基本パラメータによって、最初に特性化されます。
これらは起点となるパラメータです。さまざまな負荷条件下での安定化や安定性、リップル電流、過渡性能など、品質に関連する要素が他にもあります。さらに、不足電圧ロックアウト(UVLO)、短絡/熱保護、過電圧保護(OVP)、過電流保護(OCP)などの貴重な機能もあります。
重要なパラメータのリストには、動作効率も含まれています。場合によっては、規制による「環境保護」要件を満たすために高い効率が必要な場合もあります。ただし、これらの規制は、低電力電源にとってミドルレンジおよびハイレンジの電源ほど厳しいものではありません。
効率の向上は電池駆動アプリケーションにおける動作時間の拡張にも役立ち、定格負荷や低負荷条件だけでなく、静止モードでも重要になります。主な電源としてACラインがあり、動作時間が効率性によって決まるわけではない場合でも、エネルギー消費と熱負荷を最小化することは重要です。
電磁妨害(EMI)の考慮事項も、以下の2つの点で規制主導型の要素です。
・最初に、性能や電源供給対象に影響を与える「外部からの」EMIやノイズの影響をDC/DCレギュレータが受けないようにする必要があります。
・許容可能なEMI制限をエンドアプリケーション(例：民生用、車載用、産業用、医療用)、出力範囲、周波数の機能としながら、DC/DCレギュレータを放射や伝導EMIの電源にすることはできません。
製品がさまざまなEMI要件を満たして認証されるようにすることは、設計と試験の両方の専門知識が必要な複雑で時間のかかるプロセスです。
パワーレギュレータ機能の要件に関する説明では、他の2つの要素(サイズとコスト)を無視できません。一般的に、小型であればあるほど優れており、しばしば必要とされますが、大型のフォームファクタを備えた製品では最優先事項というわけではありません。低コストであることは当然いつでも歓迎されますが、その相対的重要性はアプリケーション要件によって決まります。
「内製か外製か」の新しい評価基準
内製か外製かの判断には、明らかにトレードオフがあります。それには、基礎的要素の相対的な重み付けが含まれます。
たとえば、小型ソリューションにはどれほどの価値がありますか？1つの軸に沿った優れた性能にはどれほどの価値がありますか？たとえば、2MHzのスイッチングレギュレータは、同等の基本仕様を備えた1MHzバージョンよりも小型ですが、高周波数で動作することにより損失が増加するため、効率性は低くなる可能性があります。
一見使いやすい多くの高性能DC/DCレギュレータICが低電力レベルで入手可能な場合、「内製」が合理的な判断と思われます。ただし、現実において、これはますます当てはまらなくなっています。それは、回路の性能に課された多くの要件や「内製」に関連したリスク(量産化、関連受動デバイスへの電源供給における課題、厳しい試験/認証要件)などの要素の蓄積が原因です。
インダクタによる状況の明確化
スイッチングレギュレータには、オンチップで製造できないエネルギー貯蔵用の小型インダクタが必要です。原則として、インダクタはささいな部品で、その初期モデルは単にインダクタンスとDC抵抗よって特性化されています。
理論的には、設計者がこれら2つの要素の値を用意すれば、DC/DCレギュレータのモデリングと設計を進めることが可能です。実際には、物事はそれほど単純でなく、簡素化された「改良」モデルのインダクタでさえ、周波数の機能として自己静電容量を組み込んでいます(図1)。
図1：単純なインダクタの等価回路でさえ複雑であり、そのモデルはインダクタが動作する周波数によって変化します。(画像提供：Springer Nature Switzerland AG)
「正しい」モデルというものはなく、先進的で非常に詳細なモデルには評価の難しい追加の寄生要素が含まれます(図2)。
図2：インダクタが使用されている周波数が増加すると、等価回路はより多くの微妙な動作を発生させ、その一部はインダクタの配置、隣接する部品、プリント基板の機能となります。(画像提供：Sonnet Software, Inc.)
インダクタの物理的サイズや配置がそのモデルを複雑にします。その位置や方向のわずかな変化によってもモデルの精度が変わり、性能、EMI、効率性に影響を与えます。スイッチング周波数がメガヘルツ範囲に拡大すると、モデルはこれらの追加要素をますますキャプチャする必要があります。
さらに、経験豊富な技術者が認める問題として、購買部門や生産施設は、技術者が部品表(BOM)で明示した特定ベンダーやモデルの代わりに類似の部品を使用することがあります。これら異なるユニットの最上層の仕様は同一であるため、この「無害な」置き換えは取るに足りない問題であるように思えます。
しかし、この部品の第2層の仕様が異なるため、DC/DCレギュレータの性能は、構築済み、試験済み、承認済みの状態から、試験済みや発売済みとして機能しない状態に変化します。
これらや他の理由で、多くの入手可能なレギュレータICの1つと少数の受動部品を使用して自作する「内製」という方向性は、性能、コンプライアンス、市場投入までの時間に関してますますリスクを伴うものとなります。これにより、実行可能な代替品を使用する「外製」が非常に魅力的なものになります。
「外製」に強く傾く情勢
この低電力範囲での外製環境は、過去数年間で劇的に変化しました。設計者は、Maxim IntegratedのHimalaya uSLIC降圧DC/DC電源モジュールファミリからさまざまなデバイスを選択することができるようになりました。これらのモジュールには、性能とサイズにおけるトレードオフや妥協、「内製」判断のリスクがありません。
Himalaya uSLICファミリには、MAXM17630(3.3V出力)とMAXM17631(5V出力)という2つの固定出力ユニット、さらには抵抗が設定された可変MAXM17632(0.9V～12V出力)が含まれ、すべて1A電流能力を備えています。
これらの同期降圧DC/DCモジュールには、それぞれ統合型コントローラ、MOSFET、補償部品、インダクタが含まれています。出力電圧範囲全体にわたって組み込まれた補償により、外部補償部品の必要性が排除されます。これは、レギュレータの動作モードと一致させる必要があり、しばしば選択が困難です。
これらのモジュールは、4.5V～36Vの広範な入力範囲で動作します。他のuSLICモジュールは、60Vという高い入力から動作可能で、産業用設計に有用です。このモジュールファミリの帰還電圧の安定化精度は±1.2%です。このモジュールには過温度保護が含まれ、－40℃～+125℃の周囲動作温度が規定されています。
これらのモジュールには、動作特性を機能させ確立させるために、少数の重要性の低い外付け抵抗と低コストのセラミックコンデンサしか必要ありません(図3)。
図3：MAXM17631はMaxim Himalaya uSLICファミリのDC/DC降圧電源モジュールの製品で、構成と使用が簡単です。可視インダクタがないことに注意していください。(画像提供：Maxim Integrated)
これらは、「ハードウェア単体」で動作するため、ソフトウェア起動やセットアップポートを検討する必要はありません。これらはICではありませんが、見た目が似ています。内部インダクタは、小型で薄型の16ピン3mm×3mm×1.75mmパッケージ内にカプセル封止され、一体式の底面サーマルパッドを備えています(図4)。
図4：Maxim Himalaya uSLICファミリの製品の寸法はわずか3mm×3mm×1.75mmで、16個のピンを備えています。このパッケージの底面には、ヒートシンクを簡素化するサーマルパッドもあります。(画像提供：Maxim Integrated)
小型サイズにもかかわらず、Himalaya uSLICモジュールは高性能、使いやすさ、構成の柔軟性を提供します。これらのモジュールは、400kHz～2.2MHzの可変周波数動作をサポートし、外部クロック同期のオプションを提供します。
さらに、これらのユニットはCISPR 22(EN 55022)クラスB伝導と放射エミッション要件に準拠しているため、電源モジュールが最も厳しいEMI要件を満たせない原因となることを心配する必要はありません(図5および図6)。
図5：Maxim Himalaya uSLICファミリの製品は、CISPR 22(EN 55022)クラスB伝導エミッションの制限許容量を簡単に満たします。(画像提供：Maxim Integrated)
図6：Maxim Himalaya uSLICファミリの製品は、CISPR 22(EN 55022)クラスBの放射エミッション許容量も下回ります。(画像提供：Maxim Integrated)
これらは、JESD22-B103、B104、B111のパスドロップ、衝撃、振動基準も満たします。「内製」設計でこれを達成するのは、電気的性能要件への適合を超えたさらなる重荷となります。
LDOを代わりに使用するのはどうか？
低ドロップアウトレギュレータ(LDO)は、毎年無数のデバイスで広く使用され、多くのアプリケーションのニーズを満たしています。これらは適用が簡単で、出力ノイズをほとんど発生させません。
ただし、供給する電流が増加し、電源レールと出力間の電圧差が増加すると、その効率性は低下します。効率性のペナルティにもかかわらず、LDOは多くの低電力アプリケーションにおいて、安定化出力を提供するためのかなり魅力的なソリューションであるように思われます。
しかし、多くの場合、実際はそうではありません。公称24VのDC電源(例：19.2VDC～30VDC)から80mAで5Vを必要とする、スペースに制約のある光学式近接センサの例を考えてみましょう(図7)。
図7：小型uSLICモジュールを使用することにより、この小型で光学ベースの近接センサ設計の例で必要とされる5Vを80mAで効率的に提供することができます。(画像提供：Maxim Integrated)
標準LDOとMAXM17532 uSLIC電源モジュール(0.9～5.5V出力、100mAデバイス)を使用した比較分析の概要は、劇的な違いを示しています(表1)。
表1：uSLICの使用をLDOと比較した際に節約できる電力は劇的であり、消費全体の差としては、LDOソリューションを使用する場合の量の約5%です。(画像提供：Maxim Integrated)
uSLIC電源ソリューションはLDOよりも4倍も効率的で、公称24V入力で電力消費をLDOソリューションの1/19(約5%)にまで低減します。DC入力の値が30Vである場合、この差はさらに大きくなります(この分析や他の例の詳細は、参照資料1に記載されています)。
完全でさらに構成可能
uSLICデバイスはピーク電流モード制御アーキテクチャを実装した「密閉型」モジュールですが、ユーザーには3つの動作モードから1つを選択する機会があります。これにより、アプリケーションの優先順位およびトレードオフに最も適した性能属性の選択が可能になります。
これは、部品の注文時に選択する必要がなく、パッケージピンの適切な接続により、必要に応じて設計者が選択します。したがって、同じデバイスを複数の製品や同じ製品内でも異なるモードで使用できます。これによりBOMを簡素化し、今後の設計サイクルでの変更が可能になります。
3つのモードは以下のとおりです。
• パルス幅変調(PWM)モード：負の内部インダクタ電流を許可します。この動作モードは周波数に敏感なアプリケーションにおいて有用で、あらゆる負荷で固定スイッチング周波数動作を提供します。ただし、他の2つのモードと比較すると、低負荷では効率性が低下します。
• パルス周波数変調(PFM)モード：このモードはインダクタで負の出力電流を無効にし、電源からの低い静止電流により、低負荷で高効率を提供します。このモードの短所は、出力電圧リップルが他の動作モードと比較して高く、低負荷でスイッチング周波数が一定でないことです。
• 不連続伝導(DCM)モード：このモードも低負荷条件で高効率を可能にします。また、低負荷で負のインダクタ電流を無効にすることにより、PFMモードよりも低い負荷でも一定の周波数動作を提供します。このモードは、PWMモードとPFMモードの中間の効率性を提供します。DCMモードの出力電圧リップルは、PWMモードと同等で、PFMモードと比較すると低くなります。
これらのuSLICモジュールにおいて、オプションの外部コンデンサを使用することにより、ユーザーはスタートアップ時間などの要素を設定することもできます。この機能は、電源シーケンシングとランプアップレートが重要な複数レール設計において有用です。
特性化の労力を排除するモジュール
「内製」オプションを選択する技術者が直面する多くのタスクの1つは、さまざまな静的および動的な動作条件で、多くの異なるパラメータにわたって最終製品を適切に評価することです。これは時間のかかる取り組みで、意図しないミスが発生する可能性も高まります。多くの要件の1つは、負荷を注意深く積極的に制御する必要があることです。
対照的に、Maxim Himalaya uSLICモジュールを使用する場合、設計チームはこのステップを省略することができます。これらのユニットは完成品であるため、データシート上の入力ピンから出力レールまで完全に特性化されています。
電気的特性の表に加えて、性能を定義する100以上のグラフがあり、常に重要な温度を含む広範な動作条件全体にわたって、効率性対負荷電流、出力電圧対負荷電流、出力電圧リップル、負荷過渡応答、スタートアップ/シャットダウン性能、ボード線図などの要素をカバーしています。
さらに、強力な設計ツールとシミュレーションツールが使用可能で、モジュールの動作を大規模なシステム全体のシミュレーションに容易に組み込むことができます。
実地体験の迅速な獲得
Maxim uSLICモジュールは簡単に適用でき、完全に特性化された性能やシミュレーションモデルを提供しますが、設計者はその機能について「実地的」な感覚を得たり、これらの小型デバイスを使用する際の快適さを高めたりする必要があります。
uSLICは非常に小型であるため、MaximはMAXM17630EVKIT#評価ボードを提供して評価を加速化しています(図8)。このボードには、MAXM17630、MAXM17631、MAXM17632の各モジュール用に、3つの隣接した独立セクションがあります。
図8：MaximのMAXM17630EVKIT#評価ボードは、3つの隣接した独立セクションにより、MAXM17630、MAXM17631、MAXM17632という3つのモジュールの構成と評価に対して直接的なサポートを提供します。(画像提供：Maxim Integrated)
これにより、ユーザーはどの基本動作モード(PWM、PFM、DCM)でもuSLIC動作を実行させて評価し、必要に応じて外部クロックと同期して、モジュールを有効/無効にしたり、UVLO設定を変更したりできるようになります。
初期セットアップにおいて、評価ボードは4.5～36Vの入力範囲においてMAXM17630モジュール(1Aで3.3V)を900kHzのスイッチング周波数で動作するように構成します。
MAXM17631モジュール(1Aで5V)は、7～36Vの入力範囲において1.250MHzのスイッチング周波数で動作するように構成されます。MAXM17632可変モジュール(1Aで13V)は、20～36Vの入力範囲において2.150MHzのスイッチング周波数で動作するように設定されます。
データシートには、評価ボードの回路図、上部/下部ボードレイアウト、およびマスクの詳細が記載されています。評価ボードを使用するために必要なのは、1Aで0～36VDCの単一電源、デジタルマルチメータ、3.3V、5V、12Vで最大1Aシンク可能な負荷抵抗だけです。
このキットのプリント基板レイアウトも、パワーコンバータのスイッチングノードからの放射エミッションを抑制するために設計されています。これにより、放射エミッションはCISPR22クラスB制限を下回ります。
このボードは、評価用配列が最終的なデザインイン構成とは同じでないことも認識しています。このため、ホットプラグイン中に発生する入力電圧のピークや発振を減衰するオプションの電解コンデンサが用意されています。このピークと発振は、評価セットアップの一部となる長い入力ケーブルが原因である場合もありますが、実際の使用では存在しません。
これらのケーブルは入力電源とキットの回路の間に配線され、インダクタンスが原因で入力電圧の発振を誘発する可能性があります。電解コンデンサの等価直列抵抗(ESR)は、それらが引き起こす発振を弱めるのに役立ちます。
結論
Maxim Himalaya uSLICモジュールは、比較的低いDC/DC降圧コンバータの電源レベルにおいても、「内製か外製か」のバランスが現在は外製に傾いていることを明白に実証しています。
サイズの小型化、完全に特性化された性能、EMI準拠および効率性の規制要件、最終製品のBOMの簡素化により、これらのモジュールの選択が合理的な決定であることが分かります。
参照資料
(1)『スペースに制約のあるアプリケーションの効率および消費電力ニーズに適合』
(2)『小型産業用センサに効率的に電力供給する方法』
(3)アプリケーションノート6417、『uSLICパッケージのアセンブリガイドライン』
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