大電流昇降圧DC/DCコンバータの効率を最適化

バッテリ駆動システムなどの多くの電子設計では、入力電圧が変動しても安定した出力電圧を維持するために、堅牢なDC/DCコンバータが必要とされます。4スイッチの昇降圧トポロジは、その柔軟性と電力密度の高さから広く採用されていますが、大電流用途向けにこれらのシステムを拡張する際には、設計上の大きな課題が生じます。設計者は、昇降圧レギュレータ内での集積化に関するアーキテクチャ上のトレードオフを慎重に検討する必要があります。具体的には、インダクタと電流センシング機構の集積化は、回路全体のサイズ、複雑さ、および効率に大きく影響を与える可能性があります。

本記事では、電源システム設計者が直面する課題とトレードオフについて、概要を説明します。続いて、Analog Devicesの昇降圧レギュレータの製品ラインアップによるソリューションを紹介し、それらがどのようにしてこれらの課題に対処し、設計を最適化できるかを示します。また、設計者が試作や開発を加速させるために利用できる評価キットやソフトウェアについても紹介します。

大電流昇降圧設計における集積化のトレードオフ

4スイッチ昇降圧コンバータにおいて、パワー段には4つのMOSFET、パワーインダクタ、および電流センシング機構が必要です。これらのコンポーネントをモジュールパッケージとプリント回路基板（プリント基板）のどちらに配置するかは、設計者にとって最も重要なアーキテクチャ上の決定事項となります。

インダクタとセンス抵抗を基板上に外付けすることで、設計者は部品の選択を完全に制御できるようになります。インダクタのサイズ、コア材料、飽和電流を、アプリケーションにあわせて精密に調整することができます。しかし、この柔軟性には代償が伴います。外付け部品は基板スペースを占有し、レイアウトを複雑化させ、電流センス経路のノイズを最小限に抑えるために慎重な配線が必要となります。

インダクタとセンス抵抗をモジュールパッケージに統合することで、設計とレイアウトが簡素化され、部品点数とプリント基板の占有面積を削減できます。ここでのトレードオフは、インダクタがパッケージ寸法によって制約を受けることであり、これにより最大出力電流や熱性能が制限される可能性があります。

また、損失のない電流センシング方式に置き換えることで、センス抵抗を完全に排除することも可能です。これにより電源効率は向上しますが、その結果、昇降圧モジュールの集積回路（IC）設計はより複雑になります。

3種類のモジュールファミリが昇降圧統合の課題にどう対処するか

Analog Devicesは、その幅広いμModule製品ラインアップの一部として、設計者がこれらの統合戦略の中から選択できるようにする、さまざまなDC/DCモジュールを提供しています。本記事では、4スイッチ昇降圧モジュール（図1）に焦点を当てています。具体的には、LTM4607、LTM4605、LTM4609、LTM8055、LTM8056、LTM8054、およびLTM4712です。これらの各モジュールは、入力電圧および出力電流の領域において、それぞれ異なる範囲を対象としています。

図1：さまざまな入力電圧と出力電流に対応するために、異なるアーキテクチャを採用した4スイッチ昇降圧μModuleを示しています。（画像提供：Analog Devices、Kenton Williston氏修正）

外部インダクタおよびセンス抵抗を備えたDC/DCコンバータ

LTM4607、LTM4605、LTM4609は、コントローラとMOSFETをμModuleパッケージ内に集積しており、パワーインダクタと電流センス抵抗はプリント基板上に外付けされています（図2）。このアーキテクチャにより、設計者は特定のアプリケーション要件に合わせて、インダクタおよびセンス抵抗の値を柔軟に選択できます。

図2：左側のLTM4607、LTM4605、LTM4609のパッケージを示し、右側は外部インダクタとセンス抵抗を強調した対応するパワー段の回路図を示しています。（画像提供：Analog Devices）

LTM4607、LTM4605、LTM4609は、ピン互換性のある15mm × 15mm × 2.82mm LGAパッケージで提供されます。LTM4605は低電圧アプリケーション向けに設計されており、入力電圧範囲は4.5V～20V、出力電流は12A（降圧モード時）です。LTM4607およびLTM4609は、入力範囲を10Aで36V（降圧モード時）まで拡張しており、LTM4609は3つの中で最も広い出力電圧範囲（0.8V～34V）を提供します。

インダクタおよびセンス抵抗を内蔵したDC/DCコンバータ

LTM8055、LTM8056、およびLTM8054（図3）は、パワーインダクタと電流センス抵抗をμModuleパッケージに内蔵しており、プリント基板上の外付け部品点数を削減することで、設計とレイアウトを簡素化します。

図3：LTM8055、LTM8054、LTM8056デバイス用のモジュール（左）と、内蔵インダクタおよびセンス抵抗を強調した回路図レイアウト（右）を示しています。（画像提供：Analog Devices）

ここで取り上げた3つの異なるファミリは出力電流が最も低く、LTM8054が5.4A、LTM8056が5.5A、LTM8055が8.5A（降圧モード時）となっています。LTM8056は、ここで取り上げたデバイスの中で最も広い5V～60Vの入力電圧範囲を持ち、最高出力電圧は48Vです。LTM8054は最も小型で、フットプリントは15mm × 11.25mm、高さは3.42mmで、スペースに制約のある設計に適しています。LTM8055およびLTM8056は、15mm × 15mm × 4.92mmのパッケージで提供されます。

インダクタを内蔵し、損失のない電流センシング機能を備えたDC/DCコンバータ

LTM4712（図4）は、電流センシングに関して異なるアプローチを採用しています。ディスクリートなセンス抵抗の代わりに、モジュールに統合された独自の損失のない電流センシング方式を採用しています。これにより、専用のセンス抵抗に伴う電力損失がなくなります。

図4：LTM4712モジュール（左）と回路図（右）を示しており、内蔵インダクタと損失のない電流センシングが強調されています。（画像提供：Analog Devices）

このパワーインダクタは、コンポーネントオンパッケージ技術を用いて、16 × 16 × 8.34mmのBGAパッケージにて集積されています。LTM4712は、5V～36Vの入力電圧範囲を持ち、降圧モード時には、12Aで1V～36Vの出力電圧を供給します。

DC/DCコンバータの仕様および効率の比較

表1は、ここで取り上げた7つのμModuleデバイスの主な仕様をまとめたものです。

表1：ここで取り上げたµModuleデバイスの主な仕様を示しています。（画像提供：Analog Devices）

LTM8055、LTM4607、およびLTM4712の効率比較（図5）は、それらのアーキテクチャの違いが実際にどのような影響を与えるかを示しています。この比較は、6V入力（昇圧モード時）、12V入力（昇降圧モード時）、24V入力（降圧モード時）の3つの動作条件について行われ、いずれも12Vを出力しています。

図5：3つの入力電圧における効率の比較は、LTM8055、LTM4607、およびLTM4712が昇圧、昇降圧、および降圧モードでどのように動作するかを示しています。（画像提供：Analog Devices）

並列動作、定電流制御、および冗長入力

これまでのセクションでは、3種類のµModule昇降圧ファミリの基本的な動作について説明しました。これらのデバイスは、大電流化のための並列動作、定電流制御、および冗長入力電源など、より高度なアプリケーション向けに構成することも可能です。LTM4712は、これら3つの機能をすべて備えています。

並列設計を検討している設計者は、LTM4712のピーク電流モード制御を利用することができます。この高速なサイクルごとの制御は、信頼性の高い保護を提供し、大電流アプリケーションに並列構成を使用する場合に優れた電流分担を実現します。

4つのモジュールを並列に接続する場合、90°の位相シフトを設定することで、最適なインターリーブを実現できます。さらに、1つのモジュールからのクロック出力を別のモジュールのSYNC入力に接続することで、周波数同期が可能になります。

EVAL-LTM4712-A2Z評価キット（図6）は、4つのLTM4712モジュールを使用してこの機能を実証しています。このボードは、電流分担の実験、熱性能の検証、試作回路の駆動を行うための有用なプラットフォームです。

また、4つのLTM4712モジュールをインターリーブ並列構成で動作させ、5V～36Vの入力から48A、12Vを生成します。48Aの全電流は、降圧モードおよび昇降圧モードで利用可能であり、昇圧モードでは24Aが利用可能です。また、可変負荷に対して正確で安定した電流を供給する定電流機能もオプションで用意されています。

図6：EVAL-LTM4712-A2Z評価ボードには、降圧および昇降圧モードで48A出力を得るために並列に構成された4つのLTM4712モジュールが搭載されています。（画像提供：Analog Devices）

定電流モードは、個々のLTM4712モジュールでも利用可能です。この構成では、負荷電流に比例した電圧が外部センス抵抗の両端に発生します。この電圧が制御ピンで設定された閾値に達すると、モジュールは自動的に出力電圧を低下させ、電流を目標レベルに保持します。この機能は、LED駆動やバッテリ充電のように、一定の電圧を維持するよりも正確な電流を維持することがより重要なアプリケーションに有用です。

LTM4712は冗長入力構成にも対応しており、独立した電源から供給される2つのモジュールが共通の出力を共有します。これは、バックアップ電源を必要とするシステムや、共通の負荷をサポートするために異なる入力源から電源を供給するシステムに有効です。このシナリオでは、2つのモジュールが並列に接続され、モジュールの補償ピンが互いに接続されます。いずれかの入力が途絶えた場合でも、残りのモジュールが出力の安定化を維持します。

DC/DC変換評価ボードおよび設計ツール

Analog Devicesでは、設計者がすぐに開発を開始できるよう、µModules用の評価キットを提供しています。たとえば、DC3189A（図7）は、LTM4712の入力5V～36V、出力1V～36Vの全範囲にわたる評価が可能なシングルモジュールプラットフォームです。

図7：DC3189A評価ボードは、LTM4712を評価するためのシングルモジュールプラットフォームです。（画像提供：Analog Devices）

設計プロセスを加速させるためのソフトウェアツールも利用可能です。LTpowerCAD設計ツールは、部品の選択、効率の推定、ループ補償、および負荷の過渡解析を支援します。設計はLTspiceにエクスポートして、時間領域シミュレーションや動的解析を行うことができます。

まとめ

最新の昇降圧レギュレータは、幅広い大電流アプリケーションにおいてDC/DC変換をスケールアップする際、開発者に数多くの選択肢を提供します。Analog Devicesの4スイッチµModuleコンバータは、広い入出力範囲と柔軟な統合オプションを特徴としています。評価ボードやソフトウェアのサポートにより、これらのモジュールを使用することで、設計者は設計ニーズに最適なアーキテクチャを迅速に選択し、実装することができます。