MLCCの供給不足による電源アプリケーションへの影響を軽減


多層セラミック・コンデンサ(MLCC)はますます不足しており、この状況は2020年までも続くと考えられます。MLCCは、信頼性が高く占有面積が小さいため、ほぼすべての種類の電子機器に使われています。

MLCCのメーカーは生産量の増加に取り組んでいますが、依然として需要は供給を上回る見込みです。そのため、サプライチェーンでのこれらの部品の不足や価格上昇につながると考えられています。

サプライチェーンが対応を進める一方で、電源アプリケーションの設計者としては、どのようにMLCCの供給リスクを抑えたらいいか悩んでいるかもしれません。この記事では、標準的な産業アプリケーション・レールに電源供給するいくつかの方法を検討し、MLCC不足が製品の製造に与える影響を最大限にえる抑えるために、適切なDC/DCコンバータを選択する方法を紹介します。

例として、12Vの標準入力電圧を3.3Vのレギュレータ出力に変換し、3Aの電流を供給できるようにすることを想定します。これらのパラメータを使ってTIの降圧コンバータのクイック・サーチを行うと、選択肢として産業用アプリケーション向けのDC/DCコンバータの候補がいくつか表示されます。適切なソリューションなら、これらの条件でコンパクトなQFN(Quad Flat No-lead)パッケージの優れた熱特性と、90%近くまたはそれ以上の効率を発揮できます。しかし、適切な動作のために必要になるMLCCの数を具体的に考えると、考慮すべき重要な違いが見えてきます。

外部補償によるピーク電流制御トポロジの標準的なソリューションを詳しく見ていくと、ハイサイドのMOSFETのゲート電圧を供給する小容量(0.1µF)ブートストラップ・コンデンサを1個、入力にコンデンサを最大4個(10µFが2個と0.1µFが2個)、出力に大容量コンデンサ1個(100µF)が必要になります。さらに、出力電圧のスタートアップ・ランプを制御するソフトスタート・コンデンサ1個と、周波数補償回路用に補償コンデンサ2個が必要な場合もあります。これでMLCC数の合計は、標準的な回路で最大9個になります。

ここで提案するもう1つの方法は、3mm×2mmの小型QFNパッケージ、DCS-Controlトポロジ搭載、入力3V~17Vの4A降圧型コンバータ『TPS62136』の使用です。『TPS62136』のDCS-Controlトポロジの高い動作時帯域幅と内部補償のおかげで、出力コンデンサ値を最小限に抑え、MLCCの部品数を大幅に減らすことができます。このデバイスの評価モジュールには、22µF出力コンデンサが2個しか含まれていません。入力には10µFコンデンサが1個あれば十分であり、ブートストラップ・コンデンサと補償コンデンサも不要です。ソフトスタート・コンデンサの使用を含めて、MLCCの数は合計でわずか4個です。

『TPS62136』は、熱抵抗が低いパッケージで提供され、上記の条件で90%近くの効率を達成します。必要なセラミック・コンデンサの数が半分以下になり、標準的な外部補償ピーク電流モード制御デバイスに比べて全体のソリューション・サイズがずっと小さくなります。図1では、上述の回路構成に必要なMLCCの数を比較します。

1:外部補償ピーク電流モード制御デバイス(a)とTPS62136b)の標準的回路図

(赤で囲った部分が必要なMLCC

MLCCの供給不足が電源アプリケーションに及ぼす影響を軽減したいと考えているなら、DC/DCコンバータの選択次第でコンデンサの合計値と総数の両方を最適化できることを確かめてください。『TPS62136』を含め、TIの高動作帯域幅DCS-Controlトポロジ・コンバータのポートフォリオであれば、性能が犠牲になることはありません。

次回はTIのGeorge Lakkasが、『TPSM831D31』など、TIのD-CAP+TM制御モード・マルチフェーズ・コントローラやコンバータ、およびモジュールによりマザーボードのMLCC数を削減する方法を、競合のソリューションと比較しながら紹介します。

著者紹介

Yann Ducommun 

テキサス・インスツルメンツ

低電力DC/DCコンバータ部門

アプリケーション・マネージャー

 

※2019年6月26日マイナビニュース掲載のテキサス・インスツルメンツ寄稿記事を転載

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