トランス組み込みの絶縁型DC/DCコンバータを使用してアセンブリを容易にする

コストとスペースの削減を推進するには、モノリシックDC/DCコンバータは多くの大容量アプリケーションに適したソリューションですが、電源入力を出力から電気的に絶縁する必要がある設計には使用できません。医療機器がその良い例です。一般的には、代わりに基板実装型の絶縁電源を使用することができますが、これは必要な電気的絶縁を達成するためにトランスに依存するため、効率が低下し、ソリューションのコスト、サイズ、および重量が増加します。また、トランスはDC/DCコンバータの性能にばらつきをもたらし、大量の自動組立を困難にします。

このような課題に対処するために、設計者はトランスをコンバータの基板に埋め込んだ絶縁型DC/DCコンバータモジュールを利用することができます。

この記事では、絶縁型DC/DCコンバータの使用を必要とするような場合について説明します。次に、Murata Electronicsのソリューション事例を紹介し、トランスベースの絶縁型DC/DCコンバータにありがちな設計上の大きな妥協をせずに、絶縁を実現する方法を紹介します。また、コンバータのパッケージが高レベルの自動面実装アセンブリのニーズにどのように対応しているかを説明し、絶縁型DC/DCコンバータを、電圧と電流のリップルを最小限に抑え、電磁干渉（EMI）を低減した製品に設計する方法を示します。

絶縁型コンバータはどのような場合に使用するか

従来のDC/DCコンバータでは、単一のレギュレータ回路により、入力から出力に直接電流を流すことができます。これにより、複雑さ、大きさ、価格が軽減されます。しかし、デバイスの入力側と出力側を電気的に分離するために、ガルバニック絶縁（以下、単に「絶縁」と呼ぶ）を必要とするアプリケーションが多数あります。たとえば、トランス（場合によっては結合インダクタ）を使用して、入力側と出力側の間のギャップに電圧と電流を転送するなど、絶縁型DC/DCコンバータの使用がが安全上の要件として定められている場合があります。特に入力側が人体を危険にさらすほど高い電圧に接続されている場合はそうです。絶縁型DC/DCコンバータは、グランドループを分割するのにも役立ちます。これにより、ノイズに敏感な回路部分をノイズの発生源から分離することができます（図1）。

図1：基本的な非絶縁型DC/DCコンバータ（上）と、ガルバニ絶縁のトランスを使用した絶縁型（下）を比較したもの。（画像提供：DigiKey）

絶縁型DC/DCコンバータのもう一つの特長は、フローティング出力です。このようなコンバータは出力端子間に固定電圧を供給しますが、絶縁された回路の電圧レベルに対して定義された電圧または固定電圧を備えていません（つまり、「フローティング」です）。絶縁型DC/DCコンバータのフローティング出力を出力側の回路ノードに接続して、電圧を固定するオプションがあります。これにより、出力側の回路にある別のポイントに対して出力をシフトまたは反転できます。入力回路と出力回路が分離されているため、設計者は両方の回路に独自のグランド基準があるのを確認する必要があります。

所定のDC/DCコンバータのデータシートには、通常、その絶縁電圧が記載されています。これは、電流がギャップを埋めることなく、定義された（短い）時間に適用できる最大値です。また、データシートには、絶縁を破壊することなく連続して耐えられる最大動作電圧が記載されています。

分離にはいくつかのトレードオフがあります。第一に、トランス（通常はカスタムトランス）は、非絶縁バージョンとして使用される同等の市販インダクタよりも高価であるため、絶縁型コンバータはより高価になりがちです。必要な絶縁が高ければ高いほど、コストは高くなります。

第二に、絶縁型DC/DCコンバータは、非絶縁バージョンよりも大型化する傾向があります。トランスは一般に同等のインダクタよりも大きく、インダクタはより高いスイッチング周波数で動作する傾向があり、トランスと比較してサイズがさらに小さくなります。

第三に、絶縁型DC/DCコンバータのコンポーネント間での効率、安定化、および性能の再現性は、非絶縁型コンバータに比べて劣る傾向があります。トランスはインダクタに比べて非効率な部分があり、安定化と過渡性能の向上にとっては、絶縁バリアが出力を直接検出して厳密に制御するのを阻みます。非絶縁型DC/DCコンバータは小型であるため、負荷の近くに配置することで伝送ラインの影響を軽減し、効率をさらに高めることができます。また、絶縁型コンバータのトランスは一般的にカスタム製造されたデバイスであるため、2つのデバイスが全く同じ出力を提供することはありません。

最後に、トランスもまた、効率的な大量組立プロセスの邪魔になることがあります。トランス付き絶縁型DC/DCコンバータのプロファイルは、自動組立には不向きであり、PCBに手動で追加しなければなりません。

絶縁型DC/DCコンバータの選択

設計者のアプリケーションが安全性やその他の理由で絶縁を要求する場合は、前述のトレードオフを考慮する必要があります。コンポーネントを入念に調査することにより、設計上の妥協の影響を最小限に抑えるように設計できるいくつかの新しいソリューションが浮かび上がってきます。

たとえば、Murataは最近、NXE（図2）およびNXJ2シリーズの絶縁型DC/DCコンバータを発表しました。これらの製品は、絶縁型DC/DCコンバータが抱えるいくつかの従来的な課題に対処するように設計されています。

図2：MurataのNXJ2およびNXE（図を参照）の絶縁型DC/DCコンバータには、部品の基板内にトランスを内蔵し、製品の小型化を図っています。（画像提供：Murata Electronics）

NXEシリーズは、5Vと12Vの入力オプションと、5V、12V、15Vの出力オプションで最大2Wを提供しています。入力電流と出力電流は電圧によって異なりますが、5/5V製品の入力542mA、出力400mAから、12/15V製品の205/133mAまでの範囲をカバーしています。この製品レンジは、モデルに応じて100〜130kHzのスイッチング周波数を備えています。

同様にNXJ2シリーズは、5V、12V、24Vの入力オプションと、5V、12V、15Vの出力オプションで、2W設計となっています。入力電流と出力電流の範囲は、5/5V製品の入力550mA、出力400mAから、24/15V製品の105/133mAで、95〜140kHzのスイッチング周波数を備えています。

Murataの絶縁型DC/DCコンバータは、トランスをデバイスの基板に埋め込むことで、自動製造の課題に対処しています。トランスは、FR4（プリント回路基板のベースとしてよく使用されるガラス強化エポキシラミネート）と銅の互層で形成され、埋め込まれたコアの周りに巻線を作成しています。埋め込まれたトランス構造は、熱放散を助け、部品間の性能の再現性を高めるとされています。

その結果、テープやリールのパッケージングに適した薄型（4.5mm未満）のコンパクトなパッケージ（5Vバージョンと12Vバージョンで15.9 x 11.5 mm、24Vバージョンで16 x 14.5 mm）になり、自動配置機の真空ノズルでピックアップすることができます（図3）。

図3：コンパクトなパッケージに収められたNXE絶縁型DC/DCコンバータはテープやリールで給電し、自動組立装置で基板上に配置することができます。（画像提供：Murata Electronics）

組み込みトランスの設計は、他の絶縁型設計と比較して電気的に優れた性能を発揮します。絶縁型DC/DCコンバータは、通常、全負荷時に55～85%の効率範囲で動作します。NXEシリーズとNXJ2シリーズは、100%負荷時5V出力で約72%の効率、15V出力で76%の効率、24V出力で78%の効率となっています。

絶縁型DC/DCコンバータは、出力と入力の間に電気的なフィードバックループがないため、一般的に非絶縁型品のような正確な安定化がありません。NXEシリーズの場合、ライン安定化は1.15%/%で、負荷安定化は7〜11%です。NXJ2のライン安定化は、24V入力で1%/%（標準）、その他すべての入力タイプで1.1%/%（標準）です。電圧設定値の精度は、出力負荷電流と選択したNXEまたはNXJ2デバイスによって異なります。たとえば、NXE2S1215MC 12V入力/15V出力ソリューションでは、全出力負荷電流で設定値に対して-2〜-6％の変動を示します（図4）。

図4：絶縁型DC/DCコンバータは、非絶縁型DC/DCコンバータに一般的な精密な安定化を欠いています。電圧設定値の精度は、出力負荷電流によって異なります。この例は、Murataの12V入力/15V出力絶縁型DC/DCコンバータNXE2S1215MCの設定値に対する出力電圧精度を負荷別に示しています。（画像提供：Murata Electronics）

仕様を理解する

入力と出力を電気的に分離することは、多くの場合、規制要件であり、エンジニアは、特定の設計に対してどのような規制を要求するかを明確にすることが重要になります。これは情報が混乱する可能性があるので、場合によっては難しいことがあります。

たとえば、規制基準では、コンポーネントに必要な絶縁と最終製品に必要な絶縁が別々に規定されており、それぞれが異なります。そのため、たとえばコンポーネントの仕様書には、デバイスがAC2.5～5kVの絶縁試験電圧に耐えられ、製品規格IEC 60950-1に準拠していると記載されているかもしれませんが、設計者にとってより重要なのは、アイソレータの動作電圧が、たとえばAC150～600Vであり、コンポーネント規格IEC 60747-5-5に準拠していることです。

分離レベルを説明するために使用される用語についても注意が必要です。「ベーシック」は1層の絶縁、「ダブル」は2層の絶縁、「強化（Reinforced）」はダブルと同等の1層の絶縁です。規格では、1層の絶縁層で単一障害が発生する可能性があることを想定しているため、2層目の絶縁層を持つ製品はさらなる保護を提供します。重要なことは、部品規格で「ベーシック」と定義されている部品は、安全保護が不十分な部品として分類されていることです。

部品の絶縁性能のもう1つの重要な側面は、そのクリアランスと沿面距離です。クリアランスとは、空気を介した2つの構成回路間の最短距離のことで、沿面とは表面を横切る最短距離のことです。

設計者がアイソレータの性能を確認する最良の方法は、アイソレータがVDEおよびUnderwriters Laboratory（UL）認証を取得していることを確認し、アイソレータの製造元から実際の証明書のコピーを入手することです。

FR4がコンバータの1次巻線と2次巻線の間に絶縁バリアを提供するNXEおよびNXJ2シリーズの場合、すべてのコンポーネントはDC3kVで1秒間、サンプルはDC3kVで1分間、認定のためにテストされます。絶縁抵抗は、試験電圧DC1kV、10GΩで測定されます。

NXEおよびNXJ2シリーズは、ANSI/AAMI ES60601-1に準拠したUL認定を受けており、1次コイルと2次コイル間の最大250Vrmsの動作電圧に基づいて1つのMOOP（オペレータ保護手段）を提供します。ULはまた、125V_rmsの動作電圧への強化絶縁のためのUL 60950に対するDC/DCコンバータも認めています。デバイスの沿面は2.5mm、クリアランスは2mmです。

出力リップルとEMCの低減

スイッチング電圧コンバータは、スイッチング素子で発生する電圧と電流のリップルに関連した設計上の課題を常に抱えています。絶縁型DC/DCコンバータも例外ではありません。

出力フィルタ回路を使用しない場合、NXE DC/DCコンバータの一般的な出力リップルは約55mVのピークツーピーク（p-p）で、最大85mVp-pまで上昇します。これに対してNXJ2シリーズの数値は、70mVp-pと170mVp-pです。これらの値は多くのアプリケーションで受け入れられますが、これよりも安定した出力を要求するアプリケーションもあります。

図5に示す出力フィルタ回路を使用することで、出力電流や電圧リップルを大幅に低減することができます。インダクタ（L）とコンデンサ（C）の値は、DC/DCコンバータの入出力電圧によって異なりますが、たとえば、MurataのNXE2S1205MC（入力12V/出力5V）の場合、22マイクロヘンリー（μH）のインダクタと10マイクロファラッド（μF）のコンデンサが必要となります。出力フィルタ回路の効果は、出力電圧と電流のリップルを最大5mVp-pまで下げることです。

図5：この単純な出力フィルタ回路は、適切なLとCの値を持つことで、絶縁型DC/DCコンバータの出力電流と電圧のリップルを1桁小さくすることができます。（画像提供：Murata Electronics）

最良の結果を得るには、コンデンサの等価直列抵抗（ESR）をできるだけ低くし、定格電圧を絶縁型DC/DCコンバータの定格出力電圧の少なくとも2倍にする必要があります。インダクタの場合、定格電流はDC/DCコンバータの出力電流を下回ってはなりません。定格電流では、インダクタのDC抵抗は、インダクタの両端の電圧降下がDC/DCコンバータの定格電圧の2%未満になるようにする必要があります。

NXEおよびNXJ2シリーズには、図6に示すように入力フィルタ回路を追加してEMIを減衰させることができます。ここでも、LとCの値はDC/DCコンバータの入出力電圧によって異なります。ただし、たとえば、MurataのNXE2S1215MC（12V入力/15V出力）の場合、22µHのインダクタと3.3µFのコンデンサが必要となります。

図6：適切なL値とC値を持つこのシンプルな入力フィルタ回路は、絶縁型DC/DCコンバータのEMIエミッションをEN55022の制限値を満たすために必要な値以下に低減することができます。（画像提供：Murata Electronics）

図7に示すように、フィルタリングの効果により、Murataの絶縁型DC/DCコンバータは、EN55022曲線Bの準ピークEMC制限をクリアしています。EMI放射デバイスは、EUのEMC指令2014を満たすために、これらの制限を上回る必要があります。

図7：図6に示す入力フィルタ回路の効果は、絶縁型DC/DCコンバータ（この場合はNXE2S1215MC）のEMI放射をEUのEMC指令で定められた制限値以下にすることです。（画像提供：Murata Electronics）

DC/DCコンバータのフィルタ回路設計の詳細については、DigiKeyの技術記事「優れた電圧レギュレータ設計のカギとなるコンデンサの選択」を参照してください。

結論

絶縁型DC/DCコンバータは、規制や安全性を考慮して入力電圧と出力電圧を電気的に分離する必要がある場合に重要な役割を果たします。ただし、トランスを使用した絶縁は、特にコスト、サイズ、性能のばらつき、アセンブリの課題など、設計上の妥協点が生まれる可能性があります。

エンジニアはこれらの妥協点を認識し、それに応じて製品を設計する必要があります。たとえば、絶縁型DC/DCコンバータは、一般的に非絶縁型品の正確な安定化を可能にするフィードバックループを欠いているため、出力電圧は後者のコンポーネントよりも設定値からの負荷によって大きく変化する可能性があります。

上述のように、高価でかさばる基板実装トランスを使用する代わりに、FR4と銅の互層を使用してコンバータの基板に埋め込みトランスを構築するDC/DCソリューションがあります。その結果、より安価でコンパクトなデバイスが実現し、部品間の電気的性能の再現性が向上し、自動配置装置で処理できるようになります。これらの絶縁型DC/DCコンバータは、高電圧絶縁および絶縁試験の関連規格にも適合します。