• Jul 10, 2020

    降圧レギュレータの出力リップルの理解と制御

    この技術記事は Dan Tooth との共著です。 設計者として、「今度の設計では、2倍の量の部品を半分のスペースに追加コストなしで収めないといけない」といったことはよくあるかもしれません。そのために、最小のPOL(ポイント・オブ・ロード)レギュレータを選択し、費用対効果が最も優れたパッシブ部品を使って、できる限り詰め込んだレイアウトを作りあげました。ここまではいいでしょう。ところが、重要な電源レールの出力リップルを見ると、予想したものと違います。どうなっているのでしょうか。 それではまず、降圧DC/DCレギュレータの出力リップルが何で構成されているかを理解するところから始めましょう。出力リップルは合成波形です。従来から、図1に示す3つの主要な要素のみが考慮されてきました。 インダクタの電流上昇が出力コンデンサの等価直列抵抗(ESR)に加わることで生じる三角波。22µF X5Rセラミック・コンデンサのESRは2mΩしかないことがあります...
    • Jul 2, 2020

    スタック出力PSRフライバックDC/DCコンバータによりレギュレーション性能を高める方法

    車載トラクション・インバータ 用のゲート・ドライバ・バイアス電源や、 ファクトリ・オートメーション ・アプリケーション向けフィールド・トランスミッタの4~20mAループ・センサのように、製品ライフ・サイクルの長さが要求される低消費電力絶縁型設計では多くの場合、簡素で信頼性の高い1次側レギュレーション対応(PSR)のマルチ出力フライバック・コンバータが活用されます。PSRフライバックには、以下に示す2つの重要な特性があります。 絶縁バリアをまたぐ部品が電源トランス1つのみという、高い信頼性と利便性。フィードバック・レギュレーションにはフォトカプラ、補助巻線、信号トランス、または外部リファレンスが不要 総部品数が少なく、特に絶縁出力が複数必要な場合に有利 この技術記事では、レギュレーション性能の最適化につながるスタック出力のPSRフライバック設計について考察します。 スタックされた絶縁出力 2次側を柔軟に構成できる複数出力のPSRフライバック...
    • Jun 30, 2020

    電源設計のヒント: 負の出力電圧を動的に調整する方法

    負の出力電圧を生成する標準的な手法はいくつかあり、一方で出力電圧を動的に調整するよく知られた手法もあります。この技術記事では、シンプルなレベルシフト回路を使ってこの2つの手法をつなぎ合わせる「ミッシング・リンク」について紹介します。 負電圧を出力する電源が必要なアプリケーションとしては、試験および測定、航空宇宙防衛、車載機器、医療機器などがあります。負電圧レールを生成する一般的な方法の1つが、普通の降圧コンバータを、反転昇降圧コンバータとして動かすことです[1]、[2]、[3]。降圧コンバ...
    • Jun 29, 2020

    汎用高速充電 – バッテリ駆動アプリケーションの将来のトレンド

    今日の消費者は、ポータブル電子機器をどこにいても充電したいと考えています。例えば、旅行者が飛行機の搭乗前や列車の乗車前の待ち時間に、携帯電話やノートパソコン、ヘッドホンなどを充電している光景は日常的に見られます。しかしデバイスごとに充電方法が異なるため、消費者は複数のアダプタを持ち歩く必要があり、どれがどのデバイスのものかを覚えるのも一苦労です(図1参照)。そのような苦労を最小限で済ませるには、バッテリ充電システムの設計で各種の入力電源からの充電をサポートする必要があります。 USB Type-...
    • Jun 19, 2020

    バッテリの安全性と精度を向上させるヒント

    お使いのバッテリ・モニタの精度に問題がありますか? バッテリ・パックとの間で流れる電流の量は、測定されて、さまざまな目的に使われます。例えば、電動工具の着脱可能なバッテリ・パックが誤ってショートすると、大電流が流れ、危険な状態になり得ます。あるいは、掃除機のようなバッテリが組み込まれた電化製品の内部で誤作動が起きた場合にも大電流が流れることがあり、場合によってはその設計で安全に対処できる電流レベルを超えるかもしれません。この2つの例を見ても、電流が過剰なレベルを超えていないか監視...
    • May 25, 2020

    拡張性の高いPMICの利用で車載カメラ・モジュール電源の再設計を省略

    車載カメラ・モジュールの設計者は、開発期間の短縮を目指す一方で、カメラ・モジュールをさらに小型化しつつ、高い拡張性も確保し、さまざまな種類の画像シリアライザやセンサに再利用できるようにする必要があります。この技術記事では、設計仕様やプラットフォームの拡張性など、車載カメラ・モジュール設計における設計上の重要な課題をいくつか取り上げます。 拡張性の高い PMIC を利用して設計を簡素化し、開発期間を短縮 共通した電源設計プラットフォームがあると、設計期間の短縮をはかることができ、製品化までの期間も短縮されます。電圧監視を内蔵しピン互換性のあるプログラム可能な電力管理IC(PMIC)を利用することで、電源回路を再設計しなくても、非機能安全性アプリケーション(サラウンドビュー・カメラなど)から機能安全性アプリケーション(自動運転車のドライバー監視、電子ミラー、カメラなど)へと拡張することが可能です。 プログラマブルPMICには...
    • May 20, 2020

    [FAQ]車載用高電圧コンタクタ・エコノマイザに電流モードPWMコントローラを使用する方法について

    この記事では、お客様から よく寄せられる質問とそれに対する回答 をまとめています。 車載用高電圧コンタクタ・エコノマイザに電流モードPWMコントローラを使用する方法について HEV/EVの高電圧バッテリは、トラクション・インバータへの給電に加えて、ACコンプレッサなど他の高電圧負荷への給電にも使用されます。バッテリを負荷に接続するために、バッテリからの電力ラインは、コンタクタと呼ばれる電子制御の高電圧スイッチを通して配線されます。 図1に示すように、車載用の一般的な高電圧電源基板回路では、バッテリ切...
    • May 17, 2020

    バッテリ・モニタリング・システムの電圧測定精度を改善する方法

    以前の技術記事 で確認したように、電気掃除機や、電動工具、電動自転車といったバッテリ駆動システムを安全に使用するためには、バッテリ電圧、電流、温度を正確にモニタリングする必要があります。今回は、リチウム・ベースのバッテリの電圧モニタリングに注目したいと思います。 リチウム・ベースのバッテリの安全規格で求められる重要な要件は、バッテリ・メーカーが指定した電圧範囲内でのみバッテリが動作するようにすることです。なぜこの要件が非常に重要なのかというと、この制限以上にリチウムイオン・バッテリ・パックを過充電すると、火災や爆発につながる恐れがあるからです。実際に過充電は、現実的な危険性をはらんでいます。バッテリ・パックを他のシステム用に作られた充電器につないでしまったがために、そのバッテリ・パックの許容電圧を超えても充電が続くかもしれません。システム全体の安全性を保証するには、バッテリ管理システムがバッテリ・パックの各セルの電圧をモニタリングして...
    • Apr 26, 2020

    AC/DC設計におけるスタンバイ時の可聴ノイズと消費電力を削減する方法

    スタンバイ電力の削減と効率の向上を求めて強化されるエネルギー規制に応えようと、エンジニアは、バースト・モード動作といった軽負荷モードを備えた電源の設計を進めています。軽負荷モードは、スタンバイ電力を最小限に抑えるのには有効ですが、新たに問題になるのが、電源の磁気部品から放射される高周波リンギングの懸念です。このような気にさわる音がノートPCのアダプタから出ているのを聞いたことがあるなら、リンギングの除去が非常に重要だということが分かってもらえるでしょう。 スタンバイ電力を最小限に抑え、可聴ノイズを減らしつつ、設計の費用対効果を維持するには、AC/DCシステム・ソリューション全体の最適化を注意深く行う必要があります。昇圧力率コントローラ(PFC)、インダクタ-インダクタ-コンデンサ(LLC)を使った絶縁DC/DC、同期整流(SR)など、システムのすべてのコンポーネントを連携させて対処することが非常に重要になりつつあります。 ...
    • Apr 14, 2020

    [FAQ] 車載ACコンプレッサ・モジュールの3相ブリッジ・ドライバを、ハーフ・ブリッジ・ドライバに変更した方がいい理由は何ですか。

    この記事では、お客様から よく寄せられる質問とそれに対する回答 をまとめています。 質問:BLDCモーターのインバータ段のIGBTに、現在は3相ブリッジ・ドライバを使用しています。 なぜ、既存ソリューションの3相ブリッジ・ドライバをゲート・ドライバに置き換えることを考えた方がいいのでしょうか。現在のソリューションよりも、ハーフブリッジ・ゲート・ドライバのどこが性能上優れているのでしょうか。 回答: 高電圧3相BLDCモーターは、高電圧HEV/EVのACコンプレッサの駆動に使われます。10...
    • Apr 10, 2020

    電圧リファレンスを理解する:直列リファレンスだけの特性ではない超低ドロップアウト

    「 電圧リファレンスを理解する 」シリーズの最初の記事では、 直列電圧リファレンスとシャント電圧リファレンスの違い について説明しました。 今回は、超低ドロップアウトと、それが直列リファレンスだけの特性ではない理由に焦点を絞って説明していきます。 広い入力電圧範囲と低ドロップアウト動作を両立しなければならない 電圧リファレンス が必要になったことはないでしょうか?たとえば、低ドロップアウトの直列リファレンスのほとんどが、12Vまでの入力電圧には対応していません。そのような場合は、シャント・リファレンスが非常に便利です。 図1:シャント・リファレンスによるADC外部リファレンス・ピンの駆動 図1に示すアプリケーションでの『 LM4040 』シャント・リファレンスの電圧は4.096Vです。これはアナログ/デジタル・コンバータ(ADC)用に選択する電圧としては一般的な値で、その理由は、1mVが12ビットADCでの1最下位ビット...
    • Apr 9, 2020

    電圧リファレンスを理解する:シャントと直列、どちらのトポロジが適しているか

    電圧リファレンスには、シャント・リファレンスと直列リファレンスの 2 種類があります。 それぞれに固有の使用条件があるので、この 2 種類からどちらかを選択する場合は、そのプロセスの複雑さに気後れを感じることがあります。 比較表は存在しますが、特定のアプリケーション向けにどちらか一方のリファレンス・トポロジを選ぶ方法については、一般に大した情報は得られません。この ブログ・シリーズ では、シャント・リファレンスと直列リファレンスの両方のアプリケーションを取り上げ、どのような場合にそれらを使用すべきかについて説明しつつ、各リファレンス・トポロジのあまり知られていないユースケースもいくつか紹介していきます。 第 1 部 - シャントと直列、どちらのトポロジが適しているか 現実世界は(少なくとも現時点では)アナログであり、現実世界とシステムを仲介するインターフェイスとしては、 アナログ/デジタル・コンバータ (ADC)、 センサ...
    • Mar 24, 2020

    シングル・ボード・コンピュータの設計に高性能DC/DCを使用する方法

    産業用アプリケーションでのシングル・ボード・コンピュータは、かつてはヒューマン・マシン・インターフェイス(HMI)を処理するためのロジック・コントローラとしてのみ利用され、各種の制御機能やネットワーク通信を提供していました。現在、シングル・ボード・コンピュータは、産業用ロボット、マシン・ビジョン、ファクトリ・オートメーションなどで使用される複雑なシステムの頭脳として機能しています。 必要な処理を実現するために、最新世代のシングル・ボード・コンピュータは、16コアの中央処理装置(CPU)、256GBのDDR 4 メモリ、複数の10ギガビット Ethernet およびUSBポート、デジタルI/O、シリアルATAインターフェイスを搭載しています。次世代のシステムには、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)、グラフィックス処理装置(GPU)、特定用途向け集積回路(ASIC)も搭載され、人工知能や機械学習アルゴリズムを使って音声制御...
    • Mar 6, 2020

    アプリケーションに適した絶縁ソリューションを見つける方法

    絶縁がどういうものかについて、すでによく理解していると思いますが、それぞれの種類については不明な点があるかもしれません。この技術記事では、絶縁の主な4つの種類の定義を述べてから、設計においてTIの新しい完全統合型トランス・テクノロジがどのように役立つかを説明したいと思います。このテクノロジには、他の強化絶縁ソリューションと比較して利点がいくつかあります。 簡単に言うと絶縁とは、システム内の分かれた部分同士の間で、不要な直流電流と交流電流を遮断しながら、必要な信号や電力を伝えることです。電源回路やモーター駆動回路のハイサイド・ゲート・ドライバへの電力供給、高電圧システム内の低電圧回路(例えば電気自動車システムのプロセッサ)の保護、電圧レベルが異なるシステム間での通信の分離、高電圧機器を扱うエンド・ユーザーの感電防止、といった目的のために、設計者は多くのアプリケーションで絶縁を施すことになります。絶縁には、機能絶縁、基本絶縁、二重絶縁...
    • Jan 22, 2020

    次世代バッテリ・モニタによりバッテリの精度を向上、 持続時間を延長し、同時に安全性を高める方法

    近年、掃除機や、 電動工具 (ドリル、のこぎり、ねじ回しなど)、 庭仕事の道具 ( 芝刈り機 、芝の縁刈り機、芝用トラクターなど)といった一般消費者向け製品は、電源コードを使ってコンセントから電源を取るものから、充電式バッテリ・パックの電力で動くコードレス方式へと変わってきています。自転車のような、これまでは電動ではなかった機器も、 バッテリ駆動の電動アシスト自転車や電動スクーター に移行しつつあります。 バッテリ・パックは通常、リチウムイオン、リチウム・ポリマー、またはリン酸鉄リチウムイオンを使用した個別の...
    • Jan 10, 2020

    3つの簡単な降圧回路でのEMI低減手法

    電磁干渉(EMI)は、車載用電源の最終製品における恒常的な課題です。マイルド・ハイブリッド電気自動車(MHEV)ソリューションが台頭するにつれ、システム内の多くの電子回路でバッテリ電圧が12Vから48Vへと移行していることから、EMIは以前にも増して難しい課題となっています。 車載用回路を設計しているエンジニアの大部分は、フィルタ設計、レイアウト・ガイドライン、およびスペクトラム拡散やフリップチップ・パッケージなどを始めとする多数の管理機能を通じて、EMIを低減���せる方法を知っています。しかし、あまり知られていない情報として、降圧コンバータ(およびその他のトポロジ)におけるEMIを、基板を設計し直すことなく大幅に向上させるのに役立つヒントがいくつかあります。それらのヒントが、10分でEMIテストに合格するか、それとも基板を一から設計し直す必要があるかの分岐点となるかもしれません。 以下のEMIに関する3つの単純なヒントを参考にして...
    • Dec 19, 2019

    DC/DCスイッチング・レギュレータに使用するMLCCを削減する方法

    多層セラミック・コンデンサ(MLCC)は、電子回路、特に電源のデカップリングによく使われる部品ですが、2018年頃から大きなケース・サイズのMLCCが供給不足で調達が困難になっています。市場の様子からは、少なくとも2020年まではこの状況は変わらないと見られます。そのため設計担当者は昨今、DC/DCスイッチング・レギュレータに使用するMLCCの数を削減する方法を模索しています。 DC/DCスイッチング・レギュレータのMLCC部品数を減らす方法の1つは、 外付けコンデンサを削減しても機能できるデバイ...
    • Dec 16, 2019

    サーボ・ドライブとACドライブの出力段の設計に役立つ3つのヒント

    インダストリー4.0が起こした革命により、さまざまな機械からデータを取得して分析することが可能になりました。そのおかげで、高速で自由度と信頼性が高く、より効率的な工程により、高品質の製品を低コストで生産できるようになりました。ただし、システム・レベルでは、DC/DC降圧レギュレータを使った電源設計について、インダストリー4.0による課題も生まれています。このような課題として挙げられるのは、信頼性の向上、放熱を最小限に抑えるための高負荷効率の向上、出力コンデンサを小型化するための過渡応答の高速化の...
    • Oct 29, 2019

    抵抗1つで劇的な過渡特性向上とソリューション・サイズの縮小を実現するTurboTrans™テクノロジー

    常に進化を続けるテクノロジーには、モジュール方式の、より小型で性能重視なソリューションが求められています。 電源モジュール は、ソリューション・サイズの小型化と基板面積要件への対応に役立ちますが、設計の柔軟性が低下する可能性もあります。電源モジュールによるソリューション・サイズの縮小と同時に、過渡応答の改善にもさらなる努力が重ねられてきました。最近の多くの DC/DCレギュレータ や電源モジュールは、内部にループ補償を組み込んだり、ループ補償が不要になる動作アーキテクチャを備えたりして、非常に使い勝手がよくなっています。しかし、そのことで設計性能の細かい調整が難しくなる場合もあります。 高い精度での高速過渡応答の課題に対応 プロセス・テクノロジーの進化とともに、プロセッサが求める電圧の精度が厳しくなり、コア電圧は低下しています。表1は、 FPGA (Field Programmable Gate Array)のデータシートの抜粋ですが...
    • Oct 25, 2019

    コンデンサ、容量、容量性降圧電源の違いを理解する

    コンデンサの定格値と実際の容量との違いを理解することは、信頼性の高い設計を保証する鍵となります。電気メーターのような機器の容量性降圧電源に使われる高電圧コンデンサでは特にそうです。実容量が減り過ぎると、アプリケーションをサポートするための十分な電力が得られなくなるかもしれないからです。 容量性降圧電源の場合、回路の中で最も大きい部品かつ高コストな部品の1つが高電圧コンデンサです。コンデンサのサイズを決めるときには、設計で必要とされる負荷電流に実容量が対応できることが絶対に必要です。 図1は、...
    • Oct 24, 2019

    超低静止電流のDC/DCおよびLDOにより20年間稼働するスマート・メーターを実現する方法

    温度、水道、ガスのスマート・メーターは、システムの電力管理に厳しい要件が設けられており、電力系統への接続がないため充電のできない一次電池が電源です。このようなメーターは世界中で何億個も設置されていますが、電池交換のための現地保守作業の回数は、極限まで減らす必要があります。そのため、これらのメーターは通常20年もの間、電池交換なしで稼働します。20年間稼働させるためには、静止電流(I Q )を非常に低く抑える電力管理が極めて重要です。 超低I Q の電源を使用して、高いバッテリ電圧を、常時オンになっているシステムのマイコンに必要な電圧まで下げます。図1は、スマート・メーター、およびビル・オートメーションやパーソナル・エレクトロニクスなどの超低電力システムに使われる、各種のバッテリ構成の一部です。未使用時の消費電流をカットするため、通信機能のような負荷は、負荷スイッチまたは低ドロップアウト・リニア・レギュレータ(LDO)により無効にされます...
    • Oct 18, 2019

    どのDC/DC電圧変換にも対応するユニバーサルなツールは存在するか

    アプリケーションやサブ回路が正しく動作するには、ほとんどの場合、決められた許容電圧範囲内に収まる定電源電圧が欠かせません。ワイヤレス・センサや携帯機器といったバッテリ駆動のアプリケーションでは、バッテリが放電して電圧が低下しても必要な出力電圧が得られるように、電圧を変換する必要があります。光学モジュールや有線センサ、アクティブ・ケーブル、ドングルといった、電源電圧が固定されたアプリケーションでも、利用できる電圧レールが必要な入力電圧と合わない場合、または電圧が変動して規定の許容範囲を外れる場合は...
    • Sep 17, 2019

    LDOの基本:静止電流の基本

    めったに使わない電子デバイスを使ってみようと手に取ったら、バッテリが切れていたり、ほとんど残っていなかったりして腹が立ったという経験はありませんか?そのデバイスが単にスタンバイ・モードやスリープ・モードになっていたのなら、原因は小さいながらも極めて重要な仕様である、静止電流かもしれません。 静止電流とは 静止は、「活動していない、または休止している状態や期間」と定義されています。つまり、静止電流(IQ)とは、スタンバイ・モード中の軽負荷や無負荷のシステムに流れる電流です。静止電流は、デバイス...
    • Aug 28, 2019

    D-CAP+制御モードを使用してMLCC不足の影響を最小化する

    前回のブログ でも述べているように、 多層セラミック・コンデンサ(MLCC)の供給不足 は、ますます深刻になっており、この状況は2020年まで続くと思われます。MLCCは、信頼性が高く占有面積が小さいため、あらゆる種類の電子機器に使われています。 そのため、メーカーでは、セラミック・コンデンサをポリマーなどの他のタイプのコンデンサに置き換えることを検討しています。一方、ハードウェア設計の時点で、TIのD-CAP+TM制御モードを搭載した多相コントローラ、コンバータ、『 TPSM831D31 』などのモジュ...
    • Jul 16, 2019

    超低消費電力アプリケーションでデューティ・サイクルを設計するためのWEBENCHの使用方法

    多くのバッテリ駆動アプリケーションでは、バッテリ電圧が最小になった場合でもバッテリ駆動時間を延ばすため、降圧型コンバータを、VINがVOUTに近い100%のデューティ・サイクルで動作させることが必要になります。 例えば、スマート・メータに給電する2本の二酸化マンガン・リチウム(Li-MnO2)電池は、充電不可の一次電池で、リチウム塩化チオニル電池より安価な一方、動作寿命が長期(最長20年)であるため、スマート・ガス/水量メータでの利用が増えています。 図1に示すシステム構成では、2本の二酸化...