プラグアンドプレイのデジタルプログラマブル電源モジュールで、電源の高速プロトタイピングが可能に

Heng Yang, Ph.D., シニアアプリケーションエンジニア、MPS

 

はじめに

電力設計者は、製品開発中に、スケジューリングの超過とコストの超過という2つの課題に直面することがよくあります。仕様の変更と目標仕様の未達は、プロジェクトの遅延と予算超過の最も一般的な理由の2つです。目標仕様を満たすために、電力エンジニアはプロトタイピング段階で電源の完全な再設計を行う必要がある場合があります。見過ごされがちですが、電源はすべてのハードウェア製品の中で最も重要な部分の1つです。高効率の電源設計は、システム全体の冷却要件に直接利益をもたらし、それによって最終製品のコストと体積を削減します。低ノイズの電力ソリューション設計により、最終製品がIECEN61000などの該当するEMI規格に合格することが保証されます。データトランシーバやDAC / ADCなどの一部のアプリケーションでは、製品のパフォーマンスは電源の設計とノイズレベルに大きく依存します。

ハードウェア製品開発サイクル

ハードウェアシステムの設計サイクルは、設計、プロトタイピング、および検証を含む反復プロセスです (図1を参照) 。反復するたびに、システム開発のコストと時間が増加します。プロジェクトの仕様が変更された場合は、新しいプロトタイプを作る必要があります。さらに、最新の電源管理ICにはより多くの機能が組み込まれているため、電力段の設計とボードレイアウトが複雑になります。したがって、複雑な補償ネットワークとPCBトレースによって導入される寄生要素を考慮すると、電源設計の動作を事前に正確に予測することは簡単ではありません。試作品の電源が目標仕様を満たしていない場合、システム全体が正常に機能しない可能性があります。現実的に、電力段を変更する必要があることがよくあります。したがって、電源の設計を改善するには、新しいプロトタイプを作成する必要があります。たとえば、元の安定した電力変換器は、不十分な位相マージンのために、より大きな負荷ステップで不安定になる可能性があります。電源を安定させるには、補償ネットワークを再設計する必要があります。

 

図1: 反復ハードウェアシステム設計プロセス

図1: 反復ハードウェアシステム設計プロセス

 

ハードウェアシステムのプロトタイピングには、部品の調達、回路図の設計、PCBレイアウト、およびボードの製造と組み立てが含まれます。プロトタイプ開発に関連する以下の各ステップは、コストと時間がかかる可能性があります (図2を参照) 。

  • 部品調達のリードタイムは非常に長く、予測できない場合があります。複雑なシステムには、さまざまな部品が必要です。カスタマイズされた部品やICはさらに長い待ち時間を必要とします。
  • 回路図とPCBの設計を加速することは可能です。ただし、素早い設計サービスにはより高い価格が必要になり、総開発コストが増加します。
  • ボードの製造と組み立てのリードタイムも、それらのコストと相関関係があります。3日間のPCB製造ターンタイムは、7日間のターンアラウンドタイムの2倍ものコストがかかる可能性があります。

図2: 従来の電源プロトタイプ開発ステップ

図2: 従来の電源プロトタイプ開発ステップ

ラピッド電源プロトタイピング

図2に示すように、新しいプロトタイプのリードタイムは18週間にもなる可能性があります。これにより、プロジェクト全体のスケジュールが大幅に遅れます。ラピッド電源プロトタイピング・ソリューションは、電力エンジニアが新製品開発のスケジュールと予算を管理するのに役立ちます (図3を参照) 。

図3: ラピッド電源プロトタイピングソリューション

図3: ラピッド電源プロトタイピング・ソリューション

このソリューションには、次の4つの重要な機能があります。

  • 電源ソリューション全体が単一の標準DIP / LGAパッケージに集積されています。集積された電源ソリューションにより、電源のコールドスワップが可能になり、PCB設計が大幅に簡素化されます。必要なのは入力および出力銅プレーンのみです。さらに、集積された電源ソリューションは、PCB配線エラーの可能性を排除します。寄生要素は適切に制御され、電源ソリューションパッケージ内で予測可能です。したがって、寄生素子による予期しない電源動作が排除されます。
  • 電源の主な機能は、初期仕様または改訂仕様を満たすように注文するときにオンラインで構成できます。構成可能な電力ソリューションにより、複雑な電力段と補償ネットワークの設計が不要になります。電源は、指定された仕様を満たすように出荷前に最適化されています。
  • 電力ソリューションは正確にモデル化されています。安定性、出力電圧リップル、消費電力、障害制限、ソフトスタート時間などの正確な動作は、注文前に事前にシミュレートできます。シミュレーションにより、仕様を満たすのに失敗する可能性が最小限に抑えられます。
  • 高速プロトタイピング・ソリューションの最後の重要な機能は、迅速な納期です。カスタマイズされた電源ソリューションは、注文後1週間以内に納品できます。

高速電源プロトタイピング・ソリューションを採用することにより、電力エンジニアは電源プロトタイプの開発時間を最大95%短縮できます (図4を参照) 。さらに、非電力部品とボードの製造と組み立てのコストが削減され、製品開発の全体的なコストが削減されます。電力エンジニアは、電力段の再設計のみが必要な場合に、電力ソリューションを新しいものと交換するだけで、既存のハードウェアプロトタイプを活用できます。

図4: 高速電源プロトタイピング・ソリューションを使用した高速プロトタイピング開発

図4: ラピッド電源プロトタイピング・ソリューションを使用した高速プロトタイピング開発

プロトタイピング開発のプロセスは、次の3つの簡単なステップに簡略化されています。

  • 初期仕様または改訂された仕様に基づいて、集積電源ソリューションをオンラインで構成します
  • 構成された電源装置を定格動作条件でシミュレートして、電源装置のパフォーマンスを検証します。
  • 既存のプロトタイプの電源モジュールを新しいものと交換します。

フィールドプログラマブル電源モジュールのmEZシリーズ

モノリシックパワーシステムズ (MPS) は、電源のラピッドプロトタイピングソリューションを提供する先駆者です。フィールドプログラマブル電源モジュールのmEZシリーズは、ラピッドプロトタイピングのニーズを満たすために特別に開発されました。

図5は、4.5V~36Vの入力、0.6V~12Vの出力で動作し、最大3Aの連続電流を供給するmEZフィールドプログラマブルモジュールの例を示しています。

図5: DIPおよびLGAパッケージを備えたmEZDPD3603電源モジュール    図5: DIPおよびLGAパッケージを備えたmEZDPD3603電源モジュール

図5: DIPおよびLGAパッケージを備えたmEZDPD3603電源モジュール

 

mEZプログラマブル電源モジュールは、システムプロトタイピングにおいて3つの重要な利点を提供します。

  • mEZ電源モジュールは、単一のパッケージで完全な電源を提供します (標準のDIPおよびLGAオプションが利用可能です) 。電力エンジニアは、電源モジュールを交換することにより、電源ソリューション全体を新しい設計に置き換えることができます。
  • フィールドプログラマブル電源モジュールのmEZシリーズは、MPSのウェブサイトで完全に構成できます。出力電圧、補償、スイッチング周波数、出力電流制限、故障制限、ソフトスタート時間、およびPWMモードはすべて、お客様の仕様に合わせてカスタマイズできます。構成パラメータは注文後にメーカーに転送され、カスタマイズされた部品が顧客に届けられます。
  • mEZ電源モジュールは、I2C通信バスが利用可能なアプリケーションにワンタイムプログラマブル (OTP) メモリを提供します。仮想ベンチのGUIと組み合わせると、mEZ電源モジュールの主要な機能を顧客が一度だけプログラムすることができます。

MPSは、電源の高速プロトタイピングを3つのステップに簡素化します (図6を参照) 。

  • 電力エンジニアは、入力および出力電圧、出力電流、必要な効率、負荷過渡ダイナミクス、障害保護制限など、電源の仕様を決定します。
  • ウェブベースのシミュレーションツールを使用して電源ソリューションをシミュレートします。このツールは、起動とシャットダウン、定常状態、負荷とラインの過渡現象、短絡保護、ボード線図などのシミュレーション波形を生成します (図7を参照) 。電力設計者は、シミュレーションツールを活用して、注文する前に構成を完全に検証し、パフォーマンスが仕様を満たしていることを確認できます。
  • パフォーマンスが満たされたら、システムに構成を入力します。メーカーはカスタマイズされた部品を顧客に出荷します。

図6: MPSが提供するラピッドプロトタイピングソリューション

図6: MPSが提供するラピッドプロトタイピングソリューション

 

図7: mEZフィールドプログラマブル電源モジュール用のオンラインシミュレーションツール

図7: mEZフィールドプログラマブル電源モジュール用のオンラインシミュレーションツール
(https://www.monolithicpower.com/jp/mezdpd3603as.htmlで入手可能)

 

結論

電源エンジニアは、電源のラピッドプロトタイピングソリューションを利用して、製品を時間どおりに予算内で納品することができます。ラピッドプロトタイピングソリューションには、プロトタイプで交換可能、メーカーと構成可能、調達前に予測可能、迅速な納期で提供できる集積電源ソリューションが必要です。mEZフィールドプログラマブル電源モジュールは、電源のラピッドプロトタイピングの概念と完全に一致します。電力エンジニアは、仕様を満たすように電源モジュールをオンラインで構成し、電源ソリューションをシミュレートして設計を検証し、カスタマイズされた部品をすばやく簡単に受け取ることができます。

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