パワー・モジュールが競争力を持つためには、その設計に高い電力密度、優れた熱特性を持ち、完全な機能特性を備えていることが求められます。

パワー・モジュールの設計がこのニーズに応える1つの方法が、その電源アーキテクチャに、MOSFETを外付けした降圧コントローラを使用することです。MOSFET外付け型の降圧コントローラにより、電流のスケーラビリティが実現し、間隔があくことで優れた熱効果が得られ、パワー・モジュール設計で非常に重要となります。本稿では、MOSFETを外付けしたDC/DC降圧コントローラの動作を、MOSFET内蔵型のコンバータ・ソリューションと比較していきます。

外付けMOSFETの考慮事項

MOSFETが内蔵されているコンバータの場合、設計はコンバータ・メーカーが選択したMOSFETに制約を受けます。降圧コントローラと外付けMOSFETを用いるパワー・モジュール設計には、設計で使用するMOSFETを選択できるという自由度があり、価格、給電、電流スケーリングの面でメリットをもたらします。しかし、何よりも重要なのは、最適な効率と熱管理のために制御FETと同期FETのサイズを柔軟に決められることです。

例えば、0.8V~1Vのようなコア電圧に使われるパワー・モジュールでは、同期FETに対する低いRDS(on)のメリットが得られ、一方で5Vまたは3.3Vのレール電圧に使われるモジュールでは、制御FETと同期FETの両方で同様なRDS(on)値のメリットが得られるでしょう。

効率の高さが求められる設計もあれば、費用対効果を重視した設計もあるので、そのどちらにでも対応できる柔軟性は大きな利点となります。コントローラで外付けMOSFETを使用すると、コントローラを変更しなくてもさまざまな電流レベルにソリューションを合わせることもできます。

熱特性

パワー・モジュール設計で考慮すべき重要な点の1つは、熱の管理です。熱が適切に管理されないと、効率性にマイナスに働く可能性があるだけでなく、基板に損傷を与えることさえあります。高度な冷却システムやヒート・シンクを使って外部的に回路基板を冷却する方法はいくつもありますが、最初から熱のことを念頭において設計することで、放熱の問題を大幅に抑えることができます。

熱特性を向上させる設計方法の1つは、MOSFETを外付けしたDC/DCコントローラを使用することです。部品表(BOM)の部品の数が少ないほどシステムの信頼性が増すという見識は広く知られていますが、必ずしも常にそうなるわけではありません。コンバータ設計では、1つの統合パッケージの内部で部品が非常に近い位置にあるため、内部MOSFETからの熱がどれくらいコントローラの性能と信頼性に影響するかを考える必要があります。MOSFET内蔵コンバータがコントローラ・ソリューションと電気的にまったく同じであったとしても、表面積が大きくなるディスクリート・パッケージの場合のように、簡単に内蔵MOSFETを冷却することができないため、その設計での温度は一般的に高くなります。

外付けMOSFETはコントローラと離れているため、コントローラにMOSFETを外付けしたシステムの方が信頼性は高くなる可能性があります。図1と図2に、テキサス・インスツルメンツのPMBus対応降圧コントローラ「TPS40400」とPMBus対応降圧コンバータ「TPS544B25」をそれぞれ使用した、2つの電力ソリューションでの熱特性の測定結果を示します。

TPS40400の条件は、20Aで入力12V、出力1.2Vです。TPS544B25の条件は、20Aで入力12V、出力0.95Vです。TPS40400コントローラ・ソリューションは最大温度が47℃に達し、一方でTPS544B25コンバータは最大温度が67.7℃に達しました。コントローラからMOSFETの距離を離すことで熱特性が向上し、障害を起こしたり、基板に永久的なダメージを与えたりするおそれが少なくなることがこの画像に示されています。

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    図1 TPS40400の熱特性

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    図2 TPS544B25の熱特性

さらなる分析のために、MOSFET外付けの「TPS40345」を使用する設計例1を、「TPS544C25」コンバータを使用する設計例2と比較します。この比較のために、同じ条件で各システムの消費電力を算出します。

ケースNo.1:TPS40345とともにCSD16410Q5AおよびCSD16321Q5 NexFETパワーMOSFETを使用

条件:

  • VIN = 12V、VOUT = 1V、IO = 20Aおよび30A、RDS(on)_HS = 9.6mΩ、RDS(on)_LS = 2.6mΩ
  • fSW = 600kHz、L = 0.47μH、0.3mΩ

ケースNo.2:TPS544C25コンバータ

条件:

  • VIN = 12V、VOUT =1V、IO = 20Aおよび30A
  • fSW = 500kHz、L = 0.47µH、0.3mΩ

表1では、TPS40345とTPS544C25の電力損失と温度上昇を比較しています。ほとんどのパラメータが同様の値ですが、TPS40345の周波数だけがわずかに高くなっています。これは不利な点ではありますが、コントローラ・ソリューションでは、特に出力電流が30Aのときは個別の部品の温度上昇がコンバータよりも低くなることに注意してください。ローサイド(LS)同期FETに低いRDS(on)値を選択することで、さらに温度上昇を抑えることができます。

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    表1. 電力損失と温度上昇の比較

ケースNo.1のコントローラ・ソリューションでの電力損失の計算では、コンバータ損失は、コントローラとFETの損失を足したものなので、アクティブ・デバイス損失のみが考慮されています。

コンバータの場合は、図3の効率曲線を使用し、アクティブ・デバイスの損失を求めるためにインダクタの損失を減算しました。図4の安全動作領域(SOA)曲線を見たとき、表1の数値が自然対流の場合のSOA曲線と非常に良く一致することに注意してください。例えば20Aのとき、表1の温度上昇は55℃で、SOA曲線から最大周囲温度は80℃です。温度上昇に最大周囲温度を加算した値は、デバイスのTj(max)である125℃に近くなるはずです。

では、デバイスが30Aで使用されていると想定します。最大動作周囲温度はTPS544C25の場合30℃となります。TPS40345と外部FETの場合は、最大動作周囲温度は150℃– 94.5℃ = 55℃です。この場合150℃とはFETのTj(max)であり、制限要因になります。これは動作周囲温度の上限が25℃高まることになり、大きな意味があります。同期LS FETを最適化することによっても、この制限要因に簡単に対処できます。一方でコンバータの場合は、冷却方法が別に必要になります。

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    図3 TPS544C25の効率曲線

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    図4 TPS544C25での安全動作領域(SOA)曲線

主な特長

業界標準PMBusを備えた降圧コントローラには、純粋なアナログ・ソリューションに比べて設計者にとって多くのメリットがあります。

外部FETを使用する降圧コントローラには、内蔵FETのための余分なパッケージ空間が必要ないので、より小型になるよう設計されます。この場合のマイナス面は、小型のためピンが少なくなることです。そこで、PMBusデジタル通信を備えていることが有利に働きます。

PMBus対応コントローラは、優れた機能を持つ一方、保持するピンも少数です。パワー・モジュール・アプリケーションに不可欠のPMBusの機能の1つが、出力電圧調整により出力電圧を最適化する能力です。第1に、出力電圧を異なるレベルにトリミングしても、抵抗分圧回路は変更されません。第2に、システムの要求に応じて出力電圧のマージンを上げたり下げたりできます。例えば、出力電圧を上げると、より高い処理電力に対応できます。マージンを下げると、省電力化が可能になります。TPS40400には±25%の電圧調整機能があり、十分な量の有効なマージニングが得られます。

PMBus対応コントローラを使用するもう1つのメリットは、システムのさまざまな要素をその場で制御できることです。いったんピン・ストラップ抵抗を設置すると、変更はできません。PMBus機能があれば、設計要素を途中で変更することが可能です。降圧コントローラは、過電流保護や過熱保護(サーマル・シャットダウン)などのさまざまな保護機能にも利用できます。

TPS40345に備わるプログラミング可能な過電流保護レベル、およびヒカップ障害回復により、設計の柔軟性が最大限に高まり、長時間の出力短絡時における消費電力が最小限に抑えられます。サーマル・シャットダウンでは、デバイスの接合部温度がサーマル・シャットダウン制限に達すると、パルス幅変調器(PWM)と発振回路がオフになり、HSおよびLSピンが"Low"になります。接合部が所定のレベルまで冷却されると、PWMは、通常のパワーアップ・サイクル時と同様にソフトスタートを開始します。これらの保護機能により、仕様外の状況でパワー・モジュールが損傷することがなくなり、全体的な信頼性が向上します。

いくつかの降圧コントローラの周波数スペクトラム拡散(FSS)機能は、電磁干渉(EMI)ノイズのピークを低減させ、その結果のスペクトラムがEMI規制に合格しやすくなります。TPS40345の場合、FSSがイネーブルになると、三角形のプロファイルを持つ25kHzの変調周波数を使用して、内部発振周波数が必要最小ウィンドウにわたって拡散されます。スイッチング周波数を変調すると、側波帯が生成されます。基本スイッチング周波数およびその高調波の放射電力は、多くの側波帯周波数の周囲の小さな部分に分散されます。

設計の汎用性

パワー・モジュールの設計者は、幅広い外部部品に対応した汎用性のある設計を行う必要があります。モジュールにオンボードの出力コンデンサがあったとしても、モジュールが組み込まれる基板にユーザが外付けコンデンサを付け加えるかもしれません。これによりループの安定性が変化しますが、設計者は動的にループを安定させる手法を利用できます。

コントローラでは、外部部品や可変出力電圧、出力過電流保護などのその他のコントローラ機能を選択できるようになることで、設計者がモジュールをカスタマイズできる柔軟性がもたらされます。

ソリューション・サイズ

設計によってはソリューションのサイズが重要な考慮事項となります。TPS40345とTPS544C25を比較した例では、コンバータのソリューション・サイズの方が小さくなっています(69mm2に対して35mm2)。多くのアプリケーションでFET内蔵コンバータがよく使われるのはこのためです。

まとめ

パワー・モジュール設計には、高い電力密度をもたらすために多くの微調整が必要です。これを実現する1つの方法が、図5に示すような降圧コントローラと外付けMOSFETの使用です。

降圧コントローラの熱特性は非常に優れているため、高い信頼性と効率性を維持できます。また、外付けMOSFETを使用するとパワー・モジュール設計の自由度が非常に高くなり、幅広い電流範囲に対応できるようになります。保護機能、業界標準PMBus機能、FSSなどの内蔵機能により、さらにパワー・モジュールの訴求力が高まります。

  • TI

    図5 LM27403コントローラを使用したパワー・モジュールの例

参考情報 

TPS40345
TPS544B25
TPS544C25
TPS40400
LM27403
ユーザー・ガイド(英語):LM27403EVM-POL600

著者プロフィール

Josh Frazor
テキサス・インスツルメンツ
DC/DCコンバータ&コントローラ事業部
プロダクト・マーケティング・エンジニア

Mathew Jacob
テキサス・インスツルメンツ
プロダクト・デフィニション&システム・アプリケーション部門
アプリケーション・エンジニア