ADI Silent Switcher μModule®レギュレータでアプリケーションのノイズを大幅に低減

高感度電子アプリケーションに「静寂」は存在しません。文字通り、それはあり得ないのです。 電源から電磁妨害（EMI）ノイズをすべて排除することは事実上不可能だからです。 この問題を軽減するためのさまざまな設計アプローチは、トレードオフを伴うことが多く、より複雑になる可能性があります。

エンジニアは、無線周波数電源（アンプ）、高速データコンバータ、高感度計測器、医療用画像診断システムなど、ノイズに敏感なアプリケーションのEMIを低減するために、あらゆる手段を講じています。 通常、これは部品の追加、シールド、フィルタの増設を意味し、いずれも複雑さ、コスト、サイズ、重量の増加につながる可能性があります。

スイッチモード電源（SMPS）や電子ベースのコンバータは、EMIの主な原因であり、自動車システム、家電製品、産業用オートメーション、および通信における多くのアプリケーションの設計を複雑にしています。

高速スイッチングは、DC/DCコンバータ、AC/DC整流器、DC/ACインバータ、およびAC/ACコンバータのエネルギー損失を最小限に抑えます。 しかし、高周波エネルギーと過渡電流を発生させるため、EMIの伝導や放射を引き起こす可能性があります。

EMIは、システム性能を低下させ、無線周波数に干渉し、部品の誤作動を引き起こす可能性があります。また、ペースメーカーや自動車の安全システムなどの重要なデバイスの動作を妨げる可能性もあります。 このようなシステムにおけるEMIの主な原因は、2つ以上の導体を同じ方向に流れるコモンモード電流であり、これが磁界を誘導します。

米国では、ほとんどの電子機器アプリケーションが、低周波およびRFデバイスからの有害な干渉を防止するための連邦通信委員会パート15規制に準拠する必要があります。国際的な産業および通信アプリケーションは、CISPR 22クラスBに、自動車アプリケーションは、CISPR 25国際規格に準拠する必要があります。 その他の地域でも、同様の準拠認証が求められます。

EMIテストは設計サイクルの後半に実施されることが多いため、問題や修正措置により、コストのかかる製品遅延につながる可能性があります。 さらに悪いことに、EMIの問題が現場で発見された場合、問題の特定がより困難になり、高額な修正作業が必要になる可能性があります。

EMI対策には、複数のタイプの部品を利用することができます。 低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレータは、電圧過渡や電源ノイズから下流の負荷を保護する従来型の低コストなアプローチを提供します。 しかし、かさばるソリューションになる可能性があり、必要な保護機能が欠けている場合も少なくありません。

電源電圧変動除去比（PSRR）の高い高度なLDOは、ノイズ抑制を改善しますが、効率や熱性能を直接的に改善するものではありません。 スイッチングレギュレータと併用することで、高効率と低ノイズを両立させることができます。

設計者は、EMIを伝播するループ領域を最小化し、ノイズの多い回路と感度の高い回路を分離するために、PCBレイアウトに重点的に取り組むこともできます。 また、補完的なアプローチとして、金属や金属合金などのEMIシールド材で部品を絶縁または密閉することもよく行われます。 低ノイズアンプを利用することもできます。

これらのEMI低減技術はそれぞれ、組み合わせて使用されることが多く、設計の複雑さを増すため、開発者は簡素化を模索することになります。

EMI設計の簡素化

SMPS設計に依存するアプリケーションの増加は、厳しいEMI要件を満たすスキルを持つ設計者の数を上回るペースで進んでいます。 多くのデジタル設計者には、アナログ電源設計者の不足によるスキルギャップを埋めることが求められています。 この傾向は、SMPS設計の複雑化と相まって、プロセスを簡素化するためにSMPS部品の統合をさらに進める必要性を示しています。

Analog Devices, Inc.（ADI）は、2015年にSilent Switcher^®テクノロジーを導入し、EMI設計の簡素化を始めました。 プリント回路基板（PCB）設計を簡素化しながら、スイッチング技術を最適化することを目指しました。 LT8640などの第1世代のSilent Switcherデバイスは、ダイと基板を接続するボンディングワイヤの代わりに銅ピラーフリップチップパッケージを使用することで、寄生抵抗を低減しています。 また、高周波効率を改善するように設計されたパワートレインも組み込まれています。

さらに、この第1世代のデバイスは、単一の高電流「ホットループ」を、伝播するEMIを相殺する逆向きの電流を持つ2つのループに分割しました。 単一の大きなホットループは寄生素子が多く、強い磁界を持つため、放射という形でEMIにつながる可能性があります。 Silent Switcherデバイスは、スイッチング電力損失を最小限に抑える内部スイッチドライバも組み込んでいます。

2017年、ADIはSilent Switcher 2アーキテクチャに基づく低EMIモノリシック同期降圧コンバータを発表しました。 この世代では、LT8640S-2などのデバイスが、コンデンサ、ホットループ、およびグランドプレーンを新しいLQFNパッケージに統合することで、外付け部品への依存度を低減しています。 これにより、ソリューションのサイズを小さくし、EMIに対するPCBの保護を強化することが可能になりました。 さらに、Silent Switcher 2デバイスには、より多くの銅ピラーと大型の露出パッドが含まれており、熱性能と効率が向上しています。

2021年、ADIはLT8627SP同期降圧レギュレータとともに、更新されたSilent Switcher 3アーキテクチャを発表しました。このレギュレータは超低EMIを維持しながら、低周波数での超低ノイズ性能、超高速過渡応答、高スイッチング周波数での高効率を特長としています。 また、高い周囲温度のアプリケーションに対応するため、オプションでヒートシンクを取り付けるための露出したダイトップを備えています。

Silent Switcher 3 µModuleレギュレータ

Silent Switcher 3テクノロジーは現在、ADIのµModule®高集積コンポーネントオンパッケージ（COP）電源ソリューションで利用可能です。 このパッケージにより、熱性能が向上し、ソリューション全体のサイズがさらに縮小されるため、小型で効率的かつ信頼性の高い電源ソリューションが実現します。

µModuleレギュレータのその他の主な利点には、DC/DCレギュレータの設計、テスト、認定に必要な時間の節約と労力の削減があります。 ADIは、コントローラ、パワーMOSFET、インダクタ、およびその他のサポート部品を単一のコンパクトなパッケージに統合しています。 これらは、幅広い通信、ネットワーク、および産業用機器アプリケーション、RF電源、低ノイズ計測器、高速・高精度データコンバータ用の電源ソリューションとして利用できます。

LTM4702（図1）は、超小型の6.25mm x 6.25mm x 5.07mm BGAパッケージに収められた完全な8A降圧μModuleレギュレータで、低EMIと高効率を実現するSilent SwitcherベースのレギュレータICを搭載しています。 3V～16Vの入力電圧範囲で動作し、0.3V～5.7Vの出力電圧をサポートします。

図1：ADIのLTM4702 μModuleは、コントローラ、パワーMOSFET、インダクタ、および降圧コンバータ用のその他のサポート部品を、強化された小型パッケージに統合しています。ノイズに敏感なアプリケーションでポストLDOの必要性を軽減します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

複数のLTM4702を並列動作させることで、より高い出力電流を生成することができます。 各LTM4702のPHMODEピンを異なる電圧レベルにプログラムすることによって、最大12相を互いに位相の異なる状態で同時に並列動作させることができます。

さらに、LTM4702同期スイッチングレギュレータは、非常に低い周波数（10Hz～100kHz）の出力ノイズを特長としています。 大電流でノイズに敏感なアプリケーションに最適です。 このデバイスは、RTピンからグランドに接続された抵抗を使用して、300kHz～3MHzの範囲でスイッチングするようにプログラム可能な、定周波数PWMアーキテクチャを採用しています。

1つの抵抗によりLTM4702の出力電圧を設定することで、出力電圧フィードバックでユニティゲインが得られ、出力電圧に関係なく出力ノイズをほぼ一定に保つことができます。 ノイズに敏感な大半のアプリケーションでは、LTM4702によりポストレギュレーションLDOやLCフィルタが不要となり、設計を完成させるには入力および出力コンデンサのみが必要となります。

EVAL-LTM4702-AZ評価ボード（図2）は、LTM4702の設定と性能評価用に利用できます。

図2：設計者は、ADIのEVAL-LTM4702-AZ評価ボードを使用して、降圧DC/DCスイッチングコンバータ「LTM4702」の性能を評価することができます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

LTM8080（図3）は、40V_IN、デュアル500mAまたはシングル1Aのデバイスです。LTM8080は、2つの超高PSRR LDOレギュレータとSilent Switcher DC/DCレギュレータを、熱特性が強化された9mm ｘ 6.25mm ｘ 3.32mmのオーバーモールドBGAパッケージに統合しています。さらに、EMIシールドもパッケージに組み込まれており、LDOレギュレータとSilent Switcher DC/DCレギュレータを分離しています。 200kHz～2.2MHzのスイッチング周波数範囲と、0V～8Vの出力電圧範囲をサポートしています。

図3：ADIのLTM8080 μModuleは、2つのLDOレギュレータとSilent Switcher DC/DCレギュレータを小型パッケージに統合しています。内蔵のEMIシールドはLDOレギュレータとSilent Switcher DC/DCレギュレータを分離しています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

フロントエンドのスイッチングレギュレータは、最大1.5Aの連続電流を供給可能な非絶縁型降圧スイッチングDC/DC電源です。 バックエンドのLDOリニアレギュレータは、ADIの超低ノイズ（10kHzで2nV/√Hz）および超高PSRR（1MHzで76dB）アーキテクチャを採用しています。 LDO出力は並列接続が可能で、出力電流を増加させることができます。

設計者は、4V～40Vの広い動作範囲を持つDC3071A（図4）のデモ回路を使用してLTM8080を評価することができます。

図4：DC3071Aデモ回路には、2つの出力を持つLTM8080 µModuleが含まれています。2つの出力は、どちらも3.3V/0.5Aであり、調整できます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

まとめ

ADIのSilent Switcher μModuleレギュレータは、ノイズに敏感な電子アプリケーションにおけるEMIの課題に対して堅牢なソリューションを提供します。 高度なSilent Switcher 3テクノロジーを非常にコンパクトで効率的なシステムインパッケージ設計に統合することで、これらのμModuleレギュレータは設計を簡素化し、熱性能を改善し、ほとんどのシナリオにおいてLDOポストレギュレータの必要性を排除します。

高速データコンバータやRFシステムから医療用画像処理装置や産業用機器に至るまで、これらのμModuleレギュレータにより、エンジニアは従来のEMI低減手法に複雑さを加えることなく、超低ノイズと高効率を達成することができます。 Analog Devicesは、LTM4702やLTM8080などの製品により、現代のエレクトロニクスが求める厳しい要求を満たす革新的なソリューションを提供し、最もノイズに敏感なアプリケーションでも信頼性の高い性能を確保することで、業界をリードし続けています。