電源の革命: 機能集積型電源モジュールの利点
はじめに
急激に変化するエレクトロニクスの世界では、効率的でコンパクトな電力ソリューションへの需要はますます高まっています。技術が進歩するにつれて、エンジニアは設計をシンプルにし、基板スペースを削減し、開発プロセスを迅速化する方法を絶えず模索しています。MPSは、市場で最も幅広い電源モジュールの製品ラインアップを提供することで、これらの要求に応えています。これらのデバイスは、電力段、制御ループ、インダクタを単一のSMDパッケージに搭載しています (図1参照)。
図1: MPSの電源モジュール
本稿では、従来のディスクリートなDC/DC電源に比べて機能集積型電源モジュールを使用することでの多くのメリットを探ります。
簡素化された設計とボードスペースの削減
パワーステージ、制御ループ、インダクタを集積することで、MPSの電源モジュールは比類ない電力密度を提供します。MPSが特許を取得したMesh Connect™技術を用いて、コンバータ、インダクタ、およびその他の受動素子をリードフレームに直接配置し、熱放散の増加、信頼性の向上、寄生インダクタンスの低減を実現します。これにより設計が大幅にシンプルになり、設計時間と反復サイクルが効果的に短縮されます。
MPSの電源モジュールは、ブートストラップ (BST) コンデンサ、VCCデカップリングコンデンサ、入力デカップリングコンデンサ、フィードバック抵抗分圧器などの受動素子を内蔵しています。これにより、エンジニアは離散的な部品の選択や最適化に時間を費やすことなく、システムのより高いレベルの側面に集中することができます。内蔵された受動部品は、プロセスを合理化し、部品表を削減することで設計をシンプルにし、部品互換性の問題と部品調達プロセスの課題に対処します。さらに、MPSの電源モジュールは事前に検証されており、個々の部品の広範なテストと検証の必要性がありません。これにより、電子製品の市場投入までの時間が短縮されます。
MPM38111のような複数出力電源モジュールは 電力密度を高めるために使用できます。2つ以上の個別に制御された出力 (例: 2つのMP2152デバイス) を供給することにより、必要な入力コンデンサの数と全体的な基板サイズを削減します (図2参照)。
図2: デュアル出力電源モジュールと2つのシングルチャネル・ディスクリートシステムのサイズの比較
設計プロセスのシンプル化に加えて、MPSの電源モジュールはディスクリート製品に比べ、設置面積が小さくコンパクトなソリューションを提供します。スペースが重視される用途向けに、設計者はより小型で携帯可能な機器を作成できます。さらに、内蔵された部品は基板レイアウトを最適化して寄生要素を減らし、システム全体の性能を向上します。
Mesh Connect™技術により、MPSの電源モジュールは非常にコンパクトなパッケージで大電流を供給できます。 ECLGA-19 (3mm x 3mm x 1.85mm) パッケージの6A電源であるMPM3864は、光学パワーモジュールやハンドヘルドコンピューティングデバイスなど、スペースに制約のあるアプリケーションに最適です。
図3: 光学モジュール上のMPM3864の例
設計の柔軟性が向上
システムの複雑化に伴い、レール数の増加、厳格な電圧レギュレーション要件、急激な負荷電流過渡などにより、パワーツリーの設計はますます時間のかかる作業となっています。MPSのモジュールは、エンジニアがモジュールに組み込まれたデジタル通信インタフェースを使用して微調整を迅速に完了するのに役立ちます。MPSのVirtual Bench Proソフトウェアを使用すると、出力電圧 (VOUT)、スイッチング周波数 (fSW) のしきい値などの要素を簡単に変更できます。ブランキング時間、補償ループ利得、スロープ補償ランプ電圧などの高度なパラメータを調整して、動作を微調整することもできます (図4参照)。
図4: MPSのVirtual Bench Proを使用してデジタルデバイスを簡単に設定
MPM3698は、BGA (15mm x 30mm x 5.18mm) パッケージで合計120Aの電流を供給するデュアル出力電源モジュールです。このデバイスは、ハイエンドFPGAおよびASICのコアレールに電力を供給するように設計されており、設計者がデジタルインタフェースを介して制御ループの多くの側面を調整することを可能にする高度な制御ループを備えています。
アクティブ電圧ポジショニング (AVP) のような非線形制御方法を調整して過渡応答を最適化することができます。入力電圧 (VIN)、VOUT、入力電流 (IIN)、出力電流 (IOUT)、デバイス温度の正確なテレメトリを提供することに加えて、SVIDやAVSBusなどの高度な通信プロトコルも設定可能です。
高度な制御方法: コンスタントオンタイム (COT) 制御
MPS電源モジュールは通常、コストオンタイム (COT) 制御を提供し、マイクロコントローラユニット (MCU) と高出力のシステム・オン・チップ (SoC) 間のデジタル負荷への電力供給に理想的です。COT制御は、スイッチング時間のオン時間を固定することで電力変換と過渡応答を改善し、負荷要件に応じてfSWを変更できます。
過渡応答は、次の2つの要因によって大幅に向上します。
- 制御ループの動作はクロック信号から独立している。
- コンバータはFSWを増加させて、より速く出力にエネルギーを供給できる。
その結果 従来の制御法に比べて負荷電流の急激な過渡時のVOUTの影響が小さくなります。図5に電流モード制御とCOT制御の比較を示します。
図5: 電流モード制御とCOT制御
COT制御のもう一つの利点は、負荷が大幅に減少している期間 (例えばMCUがスリープモードに入ったとき) において、コンバータのFSWが大幅に減少することです。COT制御は、クロック信号を介して切り替えを強制したり、パルススキップモード (PSM) を実装したりする必要がなく、軽負荷ではるかに高い効率を可能にします。
産業用アプリケーションにおける電源モジュールのEMI低減
コンバータ全体を1つのパッケージに集積することで、本質的にスイッチノードが小さくなり、電磁障害 (EMI) が減少します。これは電磁両立性 (EMC) 規格を満たすために不可欠です。さらに、内蔵電源モジュールのコンパクトな性質により、ホットループの小型化に貢献し、ループ面積を最小化し、EMIの懸念を減らします。EMIに対するより堅牢な設計により、さまざまな環境での信頼性の高い動作が保証されます (図6参照)。
図6: MPS電源モジュールを使用したスイッチノードとホットループのサイズの削減
MPSはまた、CISPR25などの標準にEMC事前準拠したモジュールも提供します。
結論
インダクタを内蔵した電源モジュールには、設計の簡素化、基板面積の削減、開発時間の短縮、EMIの低減など、数多くの利点があります。エレクトロニクス業界が進化を続ける中で、機能集積型電源モジュールなどの革新的なソリューションを採用することは、競争の中で一歩先を行くために最も重要です。電源構成部品の集積化は、より効率的でコンパクトな電源設計を実現するための重要な進展です。
MPSは、小型で使いやすい電源モジュールを幅広く提供することで、機能集積型電源部品への市場のシフトをリードしています。出力電流は1A未満から100A以上、入力電圧は6V未満から72V以上のMPSの堅牢な複数出力 電源モジュールの製品ラインアップを活用して、電源設計をより手早くシンプルに実現しましょう。
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