ビル、工場、産業機器がコンパクト化していくにしたがって、それらのインテリジェンス化や自動化を実現する構成部品も、なお一層の小型化が要求されるようになっています。この傾向は、これらの構成部品の電源の設計における大きなチャレンジとなります。パワーICは、当然ながら必要な出力電圧を供給しなければなりませんが、それと同時に、小型かつ熱的に困難な環境においても十分な性能を発揮することが求められるようになってきています。
そのような産業機器向け電源の設計において、効率とサイズの要件を満たすには、どうすればよいのでしょうか。この記事では、これらの課題について検討し、設計目標の達成に必要な高効率、低電力消費、小型化を実現するための手法と技術を紹介していきたいと思います。
熱に対する問題の低減による性能向上
デジタルICの場合とは異なり、アナログICの小型化は容易ではありません。それは特にパワーマネージメント部品がPCB面積の相当な部分を占めるためです。
一方で、電子機器は、今や大量のデータを収集、総合し、それに基づき動作するために、より多くの電力を必要としています。この点を明らかにするために、いくつかのアプリケーション分野を例に、電源の要件を検討し、それらの要件に対処するために何が必要かを考えましょう。
車両トラッキング機器
多数の車両を管理するフリート企業(図1)は、アフターサービス用の車両トラッキング機器を使用して、管理対象の乗用車、トラック、バンなどの動きを逐一把握する必要があります。
データ収集の目的は、車両の運用効率を高め、定期的な保守整備を行い、盗難などの問題が発生した場合に車両の位置を追跡することです。この機器自体は通常、車両のバッテリ(乗用車では12V、多くのトラックでは24V)から給電され、再充電可能なバックアップバッテリを搭載しています。この機器は通常ダッシュボードの下に設置されるため、発熱を管理して機器に適した温度範囲を維持することが極めて重要です。
車両トラッキング機器の電源回路では、機器内のさまざまなデジタルロジックおよびアナログICに給電するために、フロントエンド回路からの保護電圧をより低い電圧に変換するステップダウンDC-DCコンバータおよびLDOを使用することができます。LDOは一般に使いやすく低コストであることから、選択肢の1つになります。しかし、LDOはこうした車両トラッキング機器の主な給電方法となっているメインバッテリから直接供給される電圧で使用すると、大きな電力の消費が生じます。スペースの制約を考慮すると、この場合に必要なものは、集積度の高いパワーICです。今日のDC-DCレギュレータの中には、パワーMOSFET、補償回路、その他の外付け部品を集積して、電源回路に必要となるディスクリート部品を最小限に抑えることができるデバイスもあります。さらに、この記事の後半で説明するように、現在では効率と省スペースの両面に向上をもたらす新技術も登場してきています。
自動化された工場
インテリジェンス化は、デジタルファクトリーの末端まで波及し(図2)、センサ、アクチュエータ、I/O、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)などの高性能ICは、リアルタイムで実用的な情報を提供するためにより多くの電力を必要としています。
これにより工場の装置は、自律動作が可能となり、生産性の向上、アップタイムの延長、予知保全、適応性に優れた柔軟な製造を実現できるようになります。スマートファクトリー用の機器が、インテリジェンス化されコネクティビティ機能が搭載されるということは、工場に設置されたすべてのセンサ、アクチュエータ、I/O、PLCにプロセッサや通信インタフェースが搭載されることになります。その結果、これらの追加された電子部品すべてを従来と同じ筐体に収めることができるように、個々の部品を小型化する必要があります。そのため、パワーICは小型で効率的かつ堅牢である必要があり、また落下、衝撃、振動などの条件にも強くなければなりません。
石油/ガス、採掘、廃水処理(図3)など非接触型の液面検出を必要とする業界では、超音波センサの重要性が高まっています。
このタイプのセンサは、高周波(30KHz～数MHz)の音波を発信します。液面検出では、トランスデューサは1つで十分です。トランスデューサは超音波信号を発信した後、その信号が液面に反射して戻るまでの時間を測定します。流量検出では、通常、2つのトランスデューサを使用します。このプロセスでは、超音波の飛行時間(ToF) とその変動(媒体の流速に依存)を利用するためです。
超音波センサは、送受信および制御回路を含むアナログフロントエンドと、計算用のマイクロコントローラユニットまたはマイクロプロセッサユニットで構成されます。これらのセンサは、既存の組立ラインや狭い開口部に適合させるため、さらなる小型化が求められています。超音波センサの電源ソリューションは、非常に小型かつ堅牢で、熱消費を最小限に抑える必要があります。電源については、ほかにも注意すべき事項がいくつかあります。ファンレスの超音波センサは通常、数百mAの総システム負荷電流の下で、10V～30VのDC電圧によって給電されます。システムの動作温度が最高70℃の場合、パワー部品の定格は最高125℃である必要があります。これらのシステムは、逆極性接続、過電圧、電磁干渉(EMI)から保護されなければなりません。
スマートビル
今日のビルでは、照明、温度、セキュリティシステム、アクセスメカニズムなどを制御するインテリジェンスが至るところに導入されています(図4)。
これらの自律機能を可能にするセンサ、コントローラ、I/Oは非常に小型であるため、電源ソリューションにも小型で効率的であることが必要とされます。センサは一般に24V DC電源で給電され、高電圧過渡状態が生じる環境で動作する必要があります。ノンクリティカルな産業機器では、通常36～40Vの最高動作範囲が必要です。コントローラ、アクチュエータ、安全モジュールを含むクリティカルな機器は、60Vに対応する必要があります。出力電圧側では3.3Vと5Vが広く使用され、電流については小型センサの10mAから、モーション制御などのアプリケーションにおける最高数十Aの電流が使用されます。これらのパラメータを考慮すると、電圧過渡状態(通常、42Vまたは60V)に耐えることができるステップダウン電圧レギュレータは、ビルや産業制御アプリケーションに適した選択肢といえます。
電源効率の向上
上で検討した各アプリケーション分野では、電源にいくつかの共通する特性(共通する課題)があることが明らかです。
小型
電力効率
広い入力電圧範囲
熱的に困難な厳しい環境における信頼性の高い動作
これらの産業設計では基板のスペースが限られているため、ヒートシンクなどの手法による電力消費の管理は実用的ではありません。これらの設計では筐体を密閉して埃や異物の侵入を防いでいるため、ファンによる気流の強制も現実的な選択肢とはいえません。そのため、実際に重要なのは電源の効率ということになります。
これらの産業設計に関わる入力および出力電圧を考慮すると、ステップダウン(バック)電圧レギュレータが必要になります。もっとも一般的なステップダウンアーキテクチャは、非同期整流バックコンバータにローサイド整流ダイオードを外付けした構成です。これらのデバイスは高電圧向けの設計がかなり容易です。24V入力と5V出力の設計では、バックコンバータは約20%のデューティサイクルで動作し、外付け整流ダイオードは残り80%の時間を導通します(これは電力消費の大部分を占めます)。電力消費を大幅に抑えるには、整流ダイオードの代わりに同期整流器(ローサイドMOSFETなど)を使用します。
4A負荷と電圧降下が約0.64Vのショットキー整流ダイオードを使用する例を考えましょう。80%のデューティサイクルでは、導通損失はおよそ次のとおりです。
(0.64V)×(4A)×(0.80)=2W
そこで、ダイオードの代わりに同期整流器の役割を果たすローサイドMOSFETを使用します。これで0.64Vの電圧降下は、MOSFETトランジスタのオン抵抗RDS(ON)の両端の電圧降下に置き換わります。MOSFETのRDS(ON)はわずか11mΩです。そのため、電圧降下は次のとおりです。
(11mΩ)×(4A)=44mV
電力損失は次のようになります。
(0.044V)×(4A)×(0.80)=141mW
したがって、この例では、MOSFETの電力損失は全負荷時にショットキーの電力損失の約1/14です。この例は、同期整流方式に伴う電力効率上の利点を示しています。
ここで最高入力電圧の取り扱いに関する注意点として、次の点を指摘する必要があります。工場アプリケーションでは24Vが定格のレールであるとしても、現在利用可能な28V、36V、42V、または60Vの入力パワーマネージメントソリューションの中から選択するのが賢明です。
実は、長いケーブルやPCBトレースから生じる可能性があるすべてのサージシナリオが既知であるか、モデル化可能でない限り、最高動作範囲が42Vまたは60Vのデバイスが最善の選択肢と考えられます。28Vでは24Vに近すぎて確実なマージンを確保することができず、36Vでは24Vレールでセンサやエンコーダとともに動作する際に危険です(この手法ではサージ保護を実装している場合でも機器が過剰な電圧にさらされる恐れがあります)。
集積化パワーモジュールはサイズと電力効率のニーズに適合
集積化パワーモジュールは、必要なパワーマネージメントのサポートを提供すると同時に、多数のディスクリート部品を不要にし、電源ソリューション全体を小型化することができます。
例えば、MaximのHimalaya uSLIC DC-DCパワーモジュールは、広入力のHimalaya同期整流バックコンバータ(FET、補償回路、その他の機能を内蔵)と出力インダクタを内蔵しています。このモジュールは、ディスクリート手法と比べて電源ソリューションを最大1/2.25に小型化します。このパワーモジュールファミリは、2.9～60Vの入力電圧をサポートしており、したがって民生機器などの低電圧アプリケーションからさらに高電圧の産業アプリケーションにまで対応することができます。
まとめ
小型化は現在、多くの産業設計で最重要な課題となっています。それに伴い、電源の小型化と高効率化が強く求められています。集積化パワーモジュールは、産業アプリケーションの入力電圧、熱消費、およびサイズの要件を満たすためのソリューションを提供し、より優れた動作効率を工場、車両、ビルなどにもたらします。
著者プロフィール
Anthony "Thong" Huynh
Maxim Integrated
インダストリアルパワー事業部門テクニカルスタッフ主要メンバー
（Maxim Integrated）
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April 16, 2020 at 06:03AM
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