電力変換はさまざまな電子製品の設計の基礎です。さまざまなアプリケーションや製品の要件を満たすには、デバイス、モジュール、システムの安定した動作を確保するために、電力変換、電圧調整、絶縁などの処理が必要です。この記事では、電力変換の重要なアプリケーションと開発の方向性、およびADIが導入した電力変換ソリューションについて説明します。
3つのDC-DCコンバータの種類と性能の違い
電力変換には、交流 (AC) から直流 (DC) への電力変換、ACからACへの電力変換、DCからDCへの電力変換など、さまざまな種類があります。DC-DC変換を例に挙げてみましょう。基本的なDC-DCコンバーターの種類には、非調整スイッチング電源またはモジュール、調整スイッチング電源またはモジュール、チップスケール電源コンバーターの3つがあります。これらの電源構造を採用すると制御回路の複雑さが増し、最初の2つのタイプではコンポーネントの数とソリューションのサイズも増加します。
非安定化電源は比較的簡単な解決策です。この種のソリューションのコストは主に変圧器から発生します。数量が適切であれば、個別ソリューションのコストは1.00ドル未満になります。コストは非常に低いですが、負荷と温度範囲内での出力電圧が大きく変化する可能性があるため、アナログ ソリューションの選択が難しくなります。すべてのアナログ ソリューションは優れた電源除去性能を備え、負荷が急激に変化できない必要があります。そうしないと、電源供給が大きく変わります。したがって、非安定化電源の効率は非常に高いかもしれませんが、電源品質は非常に低くなります。
安定化電源とモジュールは、より優れた出力特性を提供します。非調整電源ソリューションと同様に、コントローラーは変圧器への電力を切り替えます。このようなソリューションの電力効率は、高負荷時には非常に良好ですが、低負荷時には低下します。全負荷範囲で効率を向上できるアクティブ安定化電源ソリューションは数多くあります。それでも、はるかに複雑な制御回路が必要となり、そのほとんどは絶縁バリア上にフィードバック チャネルを必要とするため、設計コストとサイズが大幅に増加します。
ADIがiCoupler® デジタル アイソレータ製品向けに開発したチップ スケール コンバータ テクノロジにより、新しいクラスのDC-DCコンバータが誕生しました。この技術は、低消費電力かつ高性能な電源設計に非常に適しています。トランスフォーマーは、内部分割リードフレームを備えた標準ICパッケージに統合できるほど小型であるため、チップスケールの電力コンバーターは、完全に安定化されたDC-DC電源のすべての機能を統合でき、コンパクトな電圧調整特性と低負荷時の優れた効率を備えています。
チップスケールコンバータは電力変換の面で優れている
ほとんどの設計者は、高い電力効率の設計を実現する必要があります。非調整型ソリューションは通常は効率的ですが、出力電圧が定格値よりも大幅に高くなると効率が急激に低下します。2番目に効率的なのは、軽負荷用に設計され、優れた特性を持つ電圧レギュレータ モジュールです。ただし、チップスケール コンバータと比較すると、チップスケール コンバータはアクティブ フィードバック制御を統合しているため、効率は最終値までより速く上昇できます。チップスケールソリューションの最大効率は低いですが、それでもより良い選択肢です。
これらのソリューションを比較する次のポイントはサイズです。PCB上のモジュール ソリューションの面積は180 mm2 です。非調整モジュールの高さは10 mmなので、ボードのスペースを占有するだけでなく、おそらくボードの最も高い部分であり、モジュールの理論的なハウジング サイズを決定します。賢明な選択は、55 mm2の薄型SSOP20 JEDEC標準パッケージ、いくつかのバイパス コンデンサ、および2つの抵抗器を備えたチップ スケール モジュールです。
モジュラー/ディスクリート ソリューションとチップ スケール ソリューションを区別する最後の要素は、動作周波数です。スイッチング電流は電源にノイズとリップルをもたらします。多くの場合、モジュールは200 kHz ～ 1 MHzの周波数範囲で動作し、電源ノイズの影響を受けないようにデータを適切にフィルタリングまたはアンチエイリアス処理する必要があります。チップスケール ソリューションのプライマリ電力発振器は125 MHzで動作します。電力発振器のPWM制御によってリップルが発生しますが、最大ノイズ源はADCの帯域幅よりも高いため、簡単に除去できます。
小型で完全に絶縁された統合型DC/DCコンバータ
ADIのチップスケール ソリューションであるADuM5010は、ADIのiCoupler® テクノロジに基づくisoPower統合絶縁型DC/DCコンバータであり、最大150 mWの出力電力で3.15 V ～ 5.25 Vの間で調整可能な安定化絶縁型電源を提供します。入力電源電圧は、必要な出力よりわずかに低い場合も、必要な出力よりはるかに高い場合もあります。iCouplerチップスケールトランスフォーマー技術を使用すると、ロジック信号をDC/DCコンバーターの磁気コンポーネントから分離できます。したがって、小型フォームファクタと完全に分離されたソリューションを提供できます。
ADuM5010は、沿面距離5 mm、動作温度最大105℃ の20ピンSSOPパッケージで提供されます。25 kV/μsを超える高いコモンモード過渡耐性を備えており、電源起動バイアスやゲートドライブ、絶縁センサーインターフェース、産業用PLCに幅広く使用できます。
絶縁型アナログ入力に最適なADuM5010は、消費電力が150 mWで、通常は高出力DC-DCコンバータでのみ利用可能な機能の組み合わせを提供します。このデバイスは、電源と分離されたデータ チャネルを組み合わせたデバイス ファミリ内の電源のみのモデルです。このファミリでは、より多くのチャネル数を備えたデバイスが引き続き導入されるため、エンジニアはほとんど設計作業を行わずに安全かつ簡単に電源を適用できます。
ADIは、ADuM5010およびADuM6010 150 mW絶縁電源モジュールをサポートするADuM5010評価キットEVAL-ADuM5010EBZも発表しました。JEDEC標準のSSOP20パッド レイアウトを提供し、必要な出力電圧の設定、イネーブル コントロールの設定、オンボード負荷とバイパス コンデンサの複数の位置の提供をサポートします。isoPowerデバイスは、高周波および高電力スイッチング回路を使用して、チップ スケールおよび空芯トランスフォーマーを介した電力伝送を実現します。評価ボードのPCBと電源モジュールは、電圧と負荷範囲に応じて、CISPER22クラスAまたはクラスBの要件を満たすことができます。
アナログシーケンスジェネレータは信頼性の高い電源オンおよび電源オフシーケンスを提供します
今日の電子アプリケーションでは通常、5 Vまたは3.3 Vの電源電圧が複数必要になります。10、20またはそれ以上の電圧が必要になることもよくあります。さらに、同じ電圧レベルを持ちながらも、ドメインとして個別に生成する必要がある電圧ドメインもあります。つまり、これらの電圧は2回生成する必要があります。一例として、アナログ負荷とデジタル負荷に電力を供給するために2つの同一電圧を実装することが挙げられます。この分離により相互干渉を防ぎ、さまざまな負荷にさまざまなタイミングでエネルギーを供給できます。
複数の電源電圧を持つシステムでは、異なる電圧を監視する機能が重要になります。電圧ドメインが2つだけのシステムでは些細なことのように見えることも、電圧が多数あるシステムでは非常に複雑になります。したがって、多くのシーケンシング デバイスには、監視機能や電圧監視機能も組み込まれている必要があります。
ADIのADM1186-1アナログ シーケンス ジェネレーターICは、4つの電圧ドメインを制御および監視できます。電圧は、対応する電圧コンバータの有効 (on/off) ピンを制御することによってオン/オフになります。電圧コンバータのターンオン時間は、小さなコンデンサの時間遅延を使用して調整でき、対応する監視ピンは対応する出力電圧を監視します。すべての電圧が確立されると、シーケンス ジェネレータ回路はパワー グッド信号を生成します。
ADM1186-1などのアナログ シーケンス ソリューションは非常に使いやすく、マルチ電圧システムに必要なすべての機能を備えています。デジタル シーケンス ジェネレーターと異なるのは、設計がそれほど複雑ではなく、システム内で必要なデジタル監視機能が少ないことです。たとえば、PMBusや同様のプロトコルがなくても動作できます。4つ以上の電圧ドメインを持つシステムをシーケンスおよび監視する場合、複数のADM1186-1回路を順番に組み合わせることができ、任意の数のADM1186-1シーケンス ジェネレーターを接続できます。
ADM1186-1は、リンクされたアプリケーションで使用する場合、電源オンおよび電源オフ時の完全なシーケンスもサポートする点で際立っています。同様のソリューションにより、さまざまなシーケンサーICをリンクすることが可能になります。それでも、これらは単一の電圧の制御されたランプアップのみを提供し、制御されたダウンシーケンス命令、つまりこのデイジーチェーン構成の電圧をオフにするものではありません。
高度に構成可能なマルチ出力カスケードバックコンバータ
ADIによるLinearの買収以来、Linearの電源製品とADIの電源管理製品を組み合わせることで、お客様に最高の電源ソリューションを提供できるようになりました。たとえば、LTC3372は、最大60Vの入力電圧から複数の低電圧レールを必要とする自動車、通信、産業などのアプリケーション向けの高度に統合されたDC-DCコンバータ ソリューションです。LTC3372は、耐熱性に優れた48ピン、7 mm × 7 mmパッケージに高電圧と低電圧の両方のコンバータ システムが搭載されています。高電圧 (HV) 降圧コントローラは、最大60Vの入力電圧をピンでプログラムされた5Vまたは3.3 Vに降圧し、その5Vまたは3.3V出力をLTC3372の構成可能なマルチ出力、マルチフェーズ電源の低電圧 (LV) モノリシック降圧レギュレータとして使用できます。
LTC3372のこの低電圧部分は、8つの1 A並列可能な電力ステージで構成されています。これらのステージは、さまざまな方法で配置して、各チャネルの負荷要件に応じて1 ～ 4つのステージで構成される2、3、または4つのチャネルを提供でき、最大8つの異なる構成を設定できます。このレベルの柔軟性により、設計者は最小限の外部コンポーネントと小さな全体的なフットプリントで、1つのICをさまざまな設計に使用できます。さらに、各チャンネルの出力は0.8VからLVまで設定可能で。スイッチング周波数の範囲は1 MHz ～ 3 MHzです。
LTC3372は、高入力電圧から複数の出力を提供するための柔軟で高度に統合されたソリューションを設計者に提供します。HVコンバータは、最大60 Vの入力電圧から5 Vまたは3.3 Vの出力を提供できます。この中間レールから、モノリシックLVレギュレータは最大4つの出力を提供でき、最大出力電流範囲は1 A ～ 4 A、電圧は最低0.8 Vです。
結論
電力変換は電子製品設計の重要な作業です。優れた電力設計と適切な電力変換デバイスを採用することが、製品設計の成功の基盤となります。この記事で紹介したさまざまなADI電力変換デバイスは、さまざまなアプリケーションにおけるさまざまなニーズを満たすものであり、さらに理解して採用する価値があります。