No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ 1.はじめにスマートフォン、タブレット端末等に代表される携帯機器に搭載される半導体や電子部品は、小型・低背化が求められています。機器に搭載する半導体の低電圧化/大電流化に伴い、シリーズレギュレータより変換効率が良い DC/DC コンバータの採用が進んでいる。 DC/DC コンバータは、通常、電源制御 IC、コイル、コンデンサ、抵抗等の部品で回路構成している。そのため、シリーズレギュレータに比べて実装面積が大きくなり基板コスト増加の要因になっています。さらに選定部品や基板レイアウトの良し悪しによって回路誤動作やノイズ問題を起こしてしまう事が多くあります。このような問題を解決する製品として microDC/DC コンバータが注目されています。microDC/DC コンバータは部品点数が少ないので基板レイアウトが簡単で、ノイズも少ないため開発工期の短縮に繋がります。今回、microDC/DC コンバータ製品を紹介するとともに、より良く使うためのポイントを紹介します。 2. microDC/DC の構造と特徴 TOREX の microDC/DC コンバータ製品は、制御 IC とコイルを一体化した単一出力のスイッチング・レギュレータが中心となっています。パッケージ構造は、製品仕様、IC、コイル、発熱(放熱性)等を考慮した上で決定しています。そして各々のパッケージ構造には長所･短所が存在します（表-1）。表 1 microDC/DC コンバータの構造と特徴構造番号 TYPE - 1 TYPE - 2 TYPE - 3 構造図構造説明ＩＣをコイルで覆ってしまう方法コイル上にＩＣをスタックする方法コイルとＩＣを横に並べる方法特徴 ◎ 放射ノイズ ◎ 近傍磁界 △ コスト ◎ 実装面積 ○ 大電流 ○ 放熱 ○ △ ◎ ○ △ △ ○ 放射ノイズ ○ 近傍磁界 ○ コスト △ 実装面積 ◎ 大電流 ◎ 放熱製品 XCL101(昇圧） XCL201/XCL202(降圧) XCL205/XCL206/XCL207(降圧) XCL208/XCL209(降圧) 放射ノイズ近傍磁界コスト実装面積大電流放熱 XCL211/XCL212(降圧) XCL213/XCL214(降圧) 2.1 TYPE ‒1 構造 IC のパッケージとコイルを張り合わせる。スイッチング電流経路が短くなり、ノイズが非常に少ない。 2.2 TYPE ‒ 2 構造コイル上に IC チップを実装し樹脂モールドしている。汎用形状のコイルが使えるため比較的安価に作ることができる。 2013 年 12 月 1 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ 2.3 TYPE - 3 構造コイルと IC チップを隣に並べて樹脂モールドしている。IC やコイルの放熱性が良いため、大電流を流す事ができます。 3 ノイズ考慮した設計電子機器の性能を十分引き出すためには、ノイズの発生を抑えるように回路設計の段階から、｢ノイズを考慮した設計をしているか否か｣が重要になってきます。しかし、電源回路部分はノイズの発生源であるにもかかわらず部品選定は最後になります。電源回路の設計が悪いと、どんなに高性能な IC や LSI を使っても性能を引き出すことはできなくなってしまいます。TOREX の mcroDC/DC コンバータはノイズを低減するため、・漏れ磁束が少ないコイルを採用・microDC/DC 用にコイル特性を調整・DC/DC 動作の最適化・電流経路を考慮したピン配置や構造など、様々な工夫が凝らされています。実際に｢ディスクリートで構成した電源回路(XC9236)｣と｢microDC/DC コンバータ (XCL206)」ではどのくらいノイズ特性が異なるのか、放射雑音と近傍磁界強度の測定データを使って紹介いたします。 3.1 EMI (Electromagnetic Interference) ｢XC9236B18DMR｣と｢XCL206B183AR｣の 2 つの製品の放射雑音を比べたものです(図 1)。 XC9236(黒の波形)は 50M∼300MHz の広範囲でノイズを発生させています。一方、XCL206(黄緑の波形)は非常にノイズレベルが低い事が分かります。このように同じ動作周波数であっても、はっきりとした差が出ています。そのため、 XCL206(microDC/DC コンバータ)は後手に回りがちなノイズ対策を軽減できる製品と言えます。また、XCL206 と同じ構造の XCL202(Freq=1.2MHz)は動作周波数を低く抑えているため、更に低ノイズ品となっています(P.7 EMI データ参照) 。試験条件：VIN=3.7V(DC 電源)、VOUT=1.8V、IOUT=200mA（抵抗器：9Ω） XC9236B18DMR(Freq=3MHz) Cin=4.7uF,CL=10uF XCL206B183AR(Freq=3MHz) Cin=4.7uF,CL=10uF Horizontal 70 Vertical 70 XC9236B18DMR XCL206B183AR 60 50 Level [dBuV/m] 50 Level [dBuV/m] XC9236B18DMR XCL206B183DR 60 VCCI Class B(3m) 40 30 VCCI Class B(3m) 40 30 20 20 10 10 0 0 10 100 10 1000 100 1000 Frequency [MHz] Frequency [MHz] 図 1 XC9236B18DMR vs. XCL206B183AR 放射雑音 2013 年 12 月 2 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ 3.2 近傍磁界強度（Near Magnetics Field）｢XC9236B18DMR｣と｢XCL206B183AR｣の 2 つの製品の近傍磁界強度を比べたものです(図.2)。近傍磁界強度は、不要雑音として放射されるノイズの強度とは必ずしも相関しませんが、実装基板を流れる高周波電流によりノイズ源を特定する手段として有効です。試験条件：VIN=3.7V(DC 電源)、VOUT=1.8V、IOUT=200mA（抵抗器：9Ω） XC9236B18DMR(Freq=3MHz) Cin=4.7uF,CL=10uF XCL206B183AR(Freq=3MHz) Cin=4.7uF,CL=10uF XCL206B183AR Frequency Range 300MHz - 1000MHz 50MHz - 300MHz Evaluation Board XC9236B18DMR 図 2 XC9236B18DMR vs. XCL206B183AR 近傍磁界強度 2013 年 12 月 3 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ XC9236 は、周波数レンジ：50M-300MHz で IC 周辺に輪状に橙色や赤色が現れております。その中でも IC の GND 端子付近に一番強いノイズが発生していることが確認できます。また、コイルにも黄色の輪状のノイズが確認できます。コイルは簡易シールド・タイプ(樹脂にフェライト粉末を混ぜたもの)のため、磁束漏れがノイズとして確認されたと考えられます。一方で、XCL206(microDC/DC コンバータ)は、赤色や橙色がなく、発生ノイズが少ないことが分かります。 4 microDC/DC コンバータを使いこなすために microDC/DC コンバータは詳しい知識がなくても動作させることができます。基本的な知識を持っているとノイズや回路部品の発熱を抑えることでき、電子機器の信頼性が上がり製品の評判も良くなります。 4.1 小型・低背 microDC/DC コンバータは、ディスクリート部品で構成した従来の DC/DC コンバータに比べ半分の実装スペースで済むため基板コスト低減にも繋がります。また、シリーズレギュレータと同サイズの基板スペースで済みます。 XC9236B18DMR (DC/DC Converter) XCL202B181BR (microDC/DC Converter) XC6221A182MR (Series Regulator) 10mm 36mm 18mm2 30mm 30mm Evaluation Board 18mm2 2 18mm 30mm 30mm 図 3 実装面積比較 4.2 効率と部品温度シリーズレギュレータと microDC/DC コンバータで 100 XCL202 は電力変換効率に大きな差が出てきます。(図.4) XCL202・・・87%（＠IOUT=100mA）この効率の差によって、機器のバッテリー駆動時間に大きな差が出てきます。そして、この時の効率差 80 Efficiency : EFFI [%] 例) XC6221・・・48%（＠IOUT=100mA） XC6221 60 40 20 は損失として IC 自身の熱に変換されます(図 5)。 XC6221(PKG:SOT25) ⇒ 61.3℃(@Ta=23.4℃) VIN =3.7V VOUT=1.8V 0 XCL202(PKG:CL2025) ⇒ 36.3℃(@Ta=23.4℃) 0.1 1 10 Output Current : I OUT [mA] 100 図 4 XC6221A182MR vs. XCL202B181BR 電力変換効率 2013 年 12 月 4 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ試験条件：VIN=3.7V、VOUT=1.8V、IOUT=100mA（抵抗器：18Ω）、Ta=23.4℃ XC6221A182MR (Series Regulator) XCL202B181BR (microDC/DC Converter) IC IC Cap. Cap. 図 5 XC6221A182MR vs. XCL202B181BR 熱特性 4.3 基板レイアウトのポイント回路図で書くと簡単そうに見える GND 配線ですが、実際にプリント基板でレイアウトするとなると非常に難しいものです。接続されていれば良い訳ではなく、接続位置や基板レイアウトが悪いとシステム全体の性能を低下させてしまうことになる。例えば、降圧 DC/DC コンバータは、スイッチ 1(SW1)とスイッチ 2(SW2)を交互にオン/オフさせて、出力電圧が安定するように電流量をコントロールしています。そのときに流れる電流が Current①と Current②になります(図 6 参照)。そして、図 7.に示す赤色の配線には Current①もしくは Current②のどちらか一方の動作時でしか電流が流れていません。スイッチ 1(SW1)とスイッチ 2(SW2)が切り替わった時に、瞬時にスイッチング電流の流れが切断されることで配線の L(インダクタンス)成分によって起電力が発生することになります。 SW1 SW2 L CL SW1 SW2 R CIN L CL R CIN Current① Current② SW1:ON、SW2:OFF ⇒ Current① SW1:OFF、SW2:ON ⇒ Current② 図 6. 降圧 DC/DC コンバータの電流経路図 7. 降圧 DC/DC コンバータのノイズでは、具体的にどのようにする必要があるのか、回路図で説明いたします。ノイズを低減させるには、図 7 にある赤色で塗られた部分の配線長を短くする必要があります。IC 内部配線は別として、入力容量(CIN)を DC/DC コンバータの VIN-GND 端子間の近くに配置し短い配線で接続するようにします(図 8 参照)。特に GND はシステム全体にノイズを撒き散らしてしまうため注意が必要です。 2013 年 12 月 5 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ次に、実際の XCL206(miroDC/DC コンバータ)の評価基板を例に説明します。パワーGND(PGND)とアナログ GND(AGND) があります。その場合、パワー GND(PGND)に対して、入力容量(CIN)を短く接続することで起電力が発生する GND パターン部分（赤色）の面積を非常に小さくすることができます(図 9)。図 8. 回路図上の CIN 接続位置 TAB と AGND のパターンは表面パターンで接続しても、接続しなくても問題ない。 TAB と PGND 端子は電流経路が変わるため表面で接続しない。 PGND のノイズが広がらないように面積を小さく、短く CIN に接続する。図 9 XCL206 のプリント基板レイアウト(TOP VIEW/BOTTOM VIEW) XCL206 評価基板は、ピン配置からすると表面パターンでパワーGND(PGND)、TAB、アナログ GND(AGND)を一直線で繋げば GND パターンのレイアウトが簡単そうです。しかし、ノイズ面からすると電流経路が変わってしまい CIN の効果が低下しマイナス効果になりますので注意が必要です。 5 おわりに最近、国内外のメーカーにおいてウェアラブル機器の開発が活発に行われています。TOREX の microDC/DC コンバータは、数年前より GPS Watch( スポーツ・ウォッチ) 、 HMD (Head Mounted Display) 、パルスオキシメーター(pulse oximeter)等に多く採用いただいております。ウェアラブル機器は身に付けて使用する時間が長いため｢部品発熱による火傷の問題｣や｢バッテリー駆動時間｣、そして｢人体への高周波ノイズの影響｣等に注意されて設計されているようです。そのため、小型・高効率・低ノイズの特長を有している microDC/DC コンバータを採用するメーカーが増えている理由であると考えられます。最後に、取得したノイズデータ(放射雑音、近傍磁界強度)を掲載しますので部品選定の一助となれば幸いです。 2013 年 12 月 6 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ ■EMI（Electromagnetic Interference） VIN=3.7V,VOUT=1.8V/IOUT=200mA VCCI Class B(3m) Vertical 70 70 60 60 50 Level [dBuV/m] Level [dBuV/m] XC9236B18DMR Horizontal VCCI Class B(3m) 40 30 20 10 50 VCCI Class B(3m) 40 30 20 10 0 0 10 100 1000 10 100 70 70 60 60 50 VCCI Class B(3m) 40 30 20 10 50 VCCI Class B(3m) 40 30 20 10 0 0 10 100 1000 10 70 60 60 50 Level [dBuV/m] Level [dBuV/m] XCL206B183DR 70 VCCI Class B(3m) 30 40 VCCI Class B(3m) 30 20 10 10 0 0 10 100 10 1000 100 1000 Frequency [MHz] 70 70 60 60 50 Level [dBuV/m] Level [dBuV/m] XCL202B181BR Frequency [MHz] VCCI Class B(3m) 30 50 VCCI Class B(3m) 40 30 20 20 10 10 0 0 10 100 1000 Frequency [MHz] 2013 年 12 月 1000 50 20 40 100 Frequency [MHz] Frequency [MHz] 40 1000 Frequency [MHz] Level [dBuv/m] Level [dBuv/m] XCL209B183DR Frequency [MHz] 10 100 1000 Frequency [MHz] 7 www.torex.co.jp No.0034 (Ver.001) Technical Information Paper microDC/DC コンバータ ■近傍磁界強度（Near Magnetics Field） VIN=3.7V,VOUT=1.8V/IOUT=200mA Frequency Range 300MHz - 1000MHz XCL202B181BR XCL206B183DR XCL209B183DR XC9236B18DMR 50MHz - 300MHz 2013 年 12 月 8 www.torex.co.jp