コストが重視される、要求の厳しいアプリケーション向けのワイド VIN、低EMI の同期整流方式降圧型回路の評価

Timothy Hegarty

システム エンジニア
非絶縁型パワー・ソリューション

Texas Instruments

パワー・ソリューションのトータル・コストを削減し、市場投入までの期間を短縮するには、広い入力電圧範囲での動作、定評ある EMI 性能、マルチ出力の柔軟性を特長とする同期整流方式降圧型コンバータが必要不可欠です。
多くのパワー・コンバータ・ソリューションでは、効率とソリューションのサイズのトレードオフが避けられません［1］。しかし、パワー・ソリューションに対して各種の機能に結び付いた独自の要求を行う、新しいアプリケーションが出現しています。図1に示すような、コストを重視する産業用、車載、および通信アプリケーションでは、特に同期整流方式降圧型コンバータ回路に関連する次の3つの機能が要求されます。1）広い入力電圧範囲での動作（ワイド V IN）、2）デュアルチャネルおよび Fly-Buck™ソリュー
ションを利用した、非絶縁型および絶縁型のマルチ出力、3）低ノイズおよび低電磁妨害（EMI）。
このホワイト・ペーパーでは、テキサス・インスツルメンツの使いやすいワイドV IN 降圧型コンバータ/コントローラの製品ポートフォ
リオを参照しながら、上記の各機能の価値提案を詳しく検討します。これらの価値は、BOM（bill of materials）コストの最適化、信頼性の向上、市場投入までの期間の短縮が最優先の制約条件となる製品開発環境で有益です。

図1. 車載機器、産業用機器、通信機器分野における要求の厳しいコスト重視のアプリケーション

広い VIN 範囲での動作

たとえば、産業用オートメーションおよびプロセス制御装置
は、多くの場合レギュレーションなしの8V ～ 36Vレールで広いV IN 範囲［2］で動作するパワー・コンバータは、入力レールの過渡的電圧変動を抑える動作マージンを提供します。
高い信頼性や長い製品寿命が必須のアプリケーションでは、このような過渡電圧変動への耐性が重要です。

ワイド VIN、低 EMIの同期整流方式降圧型回路の評価動作する必要があり、この電源レールはエレクトロメカニカル（EM）デバイスの高電流および誘導負荷スイッチングもサポートします。この例には、モーター、リレー、サーキット・ブレーカが含まれます。

22017図2. 入力電圧範囲が6V 〜 100V の堅牢な同期整流方式降圧型コンバータ

このようにデバイスがオンとオフで切り替わるとき、直列寄生ピーク過渡電圧に損傷なく耐え、このようなトランジェントがインダクタンスと高スルーレート電流が結合して瞬間的な電発生しても中断なくシームレスに機能しなければなりません。

力サージが発生し、電源レール上で電圧変動と大きな過電

図2は、動的変動の幅が大きく変わりやすい電圧環境でも正圧スパイクを引き起こすことがあります。

確にレギュレーションされた出力を生成するDC/DCコンバー

さらに、IEC 61000-4（産業用アプリケーション向けコモン・タを使用する、大きなステップダウン変換比を想定したエミュ

トランジェント・イミュニティ仕様［3］）は、低周波数およびレーテッド電流モード（ECM）制御手法を採用した高効率ソ高周波数入力変動（ESD、バースト、雷/サージ、伝導イミュリューションの例を示しています。

ニティおよび放射イミュニティ）を規定しています。

16：1の広いV IN 範囲で動作し、反復的な100Vサージに耐え

このような高スルーレートおよび高電圧ライン・トランジェン

るこのコンバータは、中断のないレギュレーションを維持しま

トにより、特定のデザインの脆弱性またはマージナリティがす。出力電圧は、入力側でのノイズの多い大きな電圧変動の顕在化し、電気的オーバーストレス（EOS）や致命的障害を引影響を受けません。この広いV IN 範囲機能により、トランジェき起こすことがあります。

ント保護用の補助的な受動部品のコストが削減されます。

通常はローパスLCフィルタおよび過渡電圧抑制（TVS）アレ

また、部品のディレーティングを最小限に抑えるための設計

イで構成される受動的保護回路網が最初の防衛線として使が不要になります。

用され、ピーク電圧の急上昇を制限します。しかし、保護回マルチ出力路網の下流には、最大100Vの電圧がかかっても動作可能な回路を配置します。

デュアル出力同期整流方式降圧型コンバータ
自動車に搭載される電子サブシステムの急増は、車載機器が置かれる厳しい環境条件でも正常に機能する、小さなサイズ、低コストで信頼性の高い電源への需要を生み出しています。
図3は、エンジン制御ユニット（ECU）およびその他の重要な機能に使用できる、デュアルチャネル同期整流方式降圧型車
載電源 [4]を示しています。これらの重要な機能には、ブレーキ、燃料供給装置、駆動系サブシステムなどが挙げられます。
これらの電源は、激しいバッテリ電圧トランジェントの発生時にも、グリッチなしでプロセッサに電力を供給し続ける必要があります。

図3. 車載アプリケーション用のワイド VIN、低 IQ デュアルチャネル同期整流方式降圧型コントローラ

ワイド VIN、低 EMIの同期整流方式降圧型回路の評価

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2.2MHzまたは440kHzの固定スイッチング周波数（それぞれAMラジオ周波数帯より上または下）か、必要に応じて外部クロックに同期するオプションが選択できます。このデュアルチャネル・コントローラは、ソリューションのフットプリントを最小限に抑えることにより、コストとサイズを限界まで引き下げます。2つのチャネルは180°位相をずらしてインターリーブされ、2つの独立した単相コンバータに比べて入力リップル電流を低減します。
デュアルゲート・ドライブ出力により、スイッチ（SW）電圧および電流スルーレートを調整できるので、高周波数ノイズの

図4. ±15V の絶縁型レールを供給する AC または DC 電源 Fly-Buck

削減とEMIフィルタのサイズ縮小が可能です。

ソリューション

同時に、ウェッタブル・フランク終端のIC パッケージによりプリント回路基板（PCB）のはんだ接合部の状態を目視で検査できるので、量産コストを削減し、信頼性を向上させることが図4に、コストの制約が厳しい産業用アプリケーション向けできます。

Fly-Buckパワー・ソリューションを示します。
このソリューションは、センタータップ型2次側巻線から±15V

Fly-Buck コンバータの絶縁型レールを提供します。帰還レギュレーションは、1次20W以下の絶縁型パワー・ソリューションとして最近注目を側から標準の抵抗分圧器を使用します。出力電圧は、変圧集めているのが、Fly-Buckコンバータ［5］です。

器 T1の巻数比 NP/NS に基づいてスケーリングされます。

同期整流方式降圧型レギュレータの拡張版であるFly-Buck

レギュレーションされた1次側10V 補助レールは、VCC にバ回路により、ループ補償および帰還オプトカプラ部品が不要イアス電力を送り、高 V IN での静止電力損失を軽減します。になり、ソリューションのコストを削減できます。補償された

Fly-Buckコンバータにより高いコスト効率でカスタマイズしエラー・アンプは不要であり、適応型コンスタント・オン時間て出力を増やすには、変圧器の2次側巻線（適切な巻数比）、（COT）制御方式により、ほぼ即時にトランジェントに応答で整流ダイオード、出力コンデンサを追加することで行えます。

きる優れた過渡応答特性を発揮します。最大限の柔軟性が低ノイズおよび低 EMI得られるように、絶縁型出力と非絶縁型出力の両方を利用できます。Fly-Buckコンバータは、低電流補助電源およびバイ電磁感受性（EMS）、電磁両立性（EMC）、およびすべての環アス電源、パワー MOSFET および IGBTを駆動するフロー境影響（E3）は、あらゆるエレクトロニクス製品の開発時の重ティング・ゲート電源、高精度アンプおよびデータ・コンバー要な考慮事項であり、システム統合にも重要な条件です。さタ用のバイポーラ電源に使用できます。

らに、EMI 規制に対するシステムレベルでの準拠は、パワー・ソリューションのベンチマークとしてますます重要になり、製品設計サイクルの主要なマイルストーンになっています。

ワイド VIN、低 EMIの同期整流方式降圧型回路の評価

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図5. 同 期 整 流 方 式 降 圧 型 コ ンバー
タの CISPR 25クラス5 EMI 性能（150kHz 〜 30MHz：V IN = 24V、

VOUT = 5V、IOUT= 100mA：エミッション・フィルタなし（a）、フィルタあり（b））

赤 クラス5の規制値（ピーク値検出および平均値検出）
黄 ピーク値検出の結果
青 平均値検出の結果

図6. 同期整流方式降圧型コンバータのCISPR 25クラス5 EMI 性能（30MHz 〜 108 MHz：V IN = 24V、
VOUT = 5V、IOUT = 100mA： エミッション・フィルタなし（a）、フィルタあり（b））

このような厳格な規制基準のために、推奨のEMIフィルタリ放射性エミッションを軽減します。LM5165同期整流方式降ング部品とPCBレイアウト手法を使用した、規制に準拠しな

圧型コンバータ［9］は、統合されたアクティブ・スルーレー

がらも「常識にとらわれない」ソリューションへの需要が急ト制御を使用してスイッチ・ノードの電圧遷移に対処し、特増しています。通常、高密度設計では EMIフィルタリングににトラブルの多い30MHz 以上の周波数帯に対して EMIフィ利用できるスペースはほとんどありません。幸いなことに、緊ルタリング要件を軽減した例です。図5および図6に示される密なレイアウトにより、放射性エミッションが改善され、入力LM5165同期整流方式降圧型コンバータの伝導性エミッショ外乱に対する耐性も向上します。そのためには、高 di/dt 電ンのグラフ（入力フィルタとして22µH および10µFのLCを使流が流れるループの面積を最小限に抑え、高 dv/dt 電圧が発用）は、CISPR 25クラス5の車載機器のEMI 規格を満たし生する表面積（スイッチ・ノードの銅ポリゴン配線の面積なています。

ど）を削減する手順が必要不可欠です。
［6-8］

結論

多くのパワー・コンバータIC は、EMIシグネチャを最小限に抑えるように設計されています。たとえば、TIの電流モード

システム設計者の主要な関心がソリューションのトータル・コ降圧型コントローラである LM5088-Q1は、特に基本周波ストと市場投入までの期間にある場合は、広い入力電圧範数および低次高調波でのピーク・エミッション・レベルを削減する、オプションで拡散スペクトラム機能を備えています。
図3に示される LM5140-Q1コントローラは、調整可能なスルー・レート可変制御付きのハイサイドおよびローサイド・囲、マルチ出力（ガルバニック絶縁ありまたはなし）、検証済
みのEMI 性能を備えた同期整流方式降圧型コンバータが必要不可欠です。

ゲート・ドライバを備えており、高周波数での伝導性およびワイド VIN、低 EMIの同期整流方式降圧型回路の評価

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機能
主な用途

堅牢な産業用機器

先進の車載エレクトロニクス

高感度通信システム

広い VIN 範囲

マルチ出力

低 EMI/EMC

24V バックプレーンに電圧スパイクおよび 過 渡 電 圧が 重なった状態で60V 以上

マルチ出力 Fly-Buck 回路により、絶縁型バイアス電源および IGBT フローティ
ング・ゲート・ドライブ電源を提供

入力トランジェント保護回路を小型化でき、スペースの制約が厳しい設計に最適

バッテリ・ロード・ダンプ過電圧に耐える42V/60V

デュアルチャネルにより、高密度の5Vおよび3.3V レールを提供

2.2MHz 固定スイッチング周波数により、AM 周波数帯を回避

3V VIN でバッテリのコールド・クランクおよびスタート / ス
トップ・イベントを管理
48V サーバー・バックプレー
ンと小型の受 動部品保護回路網で75V 以上調整可能な広い出力電圧範囲により、 スペクトラム拡散により、ピーク・エミッションを削減

USB Type-C ™電源に対応

Fly-Buck 回路により、オペアンプ、ADC、 アクティブ・スルーレート制御に
RF 回路に±12V/ ±15V バイポーラ電源 よってスイッチ・ノード電圧を制レールを提供

御し、放射性エミッションを削減

表1. 広い V IN 範囲、マルチ出力、低 EMI のソリューションがもたらすシステムレベルメリットへの魅力的な価値提案

反対に、コンバータの設計が必要な性能と信頼性を満たしてこのホワイト・ペーパーの説明と表1のまとめに示したように、いない場合、システムの不具合が発生するおそれがあります。

包括的な機能セットと革新的な製品の利点は、価値と信頼性

このことを背景に、多くの設計者は、価値、性能、信頼性を兼を最大限に向上させてさまざまなパワー・ソリューション・アね備えた使いやすいICソリューションを選んでいます。

プリケーションの要件を満たす最終製品を実現する上で、非常に大きな役割を果たします。

関連情報
1. Hegarty, Timothy.“The buck regulator efficiency/size tradeoff dilemma,”Power House TI blog, December 2, 2013.
2.	Choudhary, Vijay.“Wide VIN power management ICs simplify design, reduce BOM cost, and enhance reliability,”TI
white paper, September 2013.
3. Hegarty, Timothy.“Wide V IN synchronous buck converter powers smart sensors,”Power Electronics, July 29, 2016.
4. Wide V IN automotive applications, Texas Instruments website.
5.	Hegarty, Timothy.“Fly-Buck converter provides EMC and isolation in PLC applications”Texas Instruments Analog
Applications Journal（TI AAJ）1Q 2015.
6. Hegarty, Timothy.“High density PCB layout of DC/DC converters,”Power House TI blog, September 16, 2015.
7.	“Vertically stacked MOSFETs and other tricks for building a high-density 30-A point-of-load regulator,”How2Power,March 2016.
8.	Hegarty, Timothy.“Reduce buck converter EMI and voltage stress by minimizing inductive parasitics,”TI AAJ, 3Q 2016.
9.	Hegarty, Timothy.“Low-IQ synchronous buck converter enables intelligent field sensor applications,”TI AAJ, 2Q 2016.
10. Download these data sheets: LM5088-Q1, LM5140-Q1, LM5161, LM5165.

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