電源設計を超えた技術としての電源管理

どんなタイプの製品設計においても、例えば走行距離の最大化が要求される電気自動車のセルから、プラント稼働率を維持するためにバッテリの長寿命化が不可欠なバッテリ駆動式IoTセンサまで、電源管理は電子機器のエンジニアにとって極めて切迫した課題となり、単に一組の静的な電源レールを設計するだけではすまなくなっています。

現在、電源設計者には、急速に変化する負荷条件に対応し、過渡電圧を抑えて厳しい許容誤差をクリアする電源レールを設計することが求められ、ますますスペースの制約が厳しくなる筐体にすべての部品を収めなければなりません。そこで今回は、コンバータノイズの管理、製造や認証に関する課題、基板面積のさらなる小型化というニーズに注目しつつ、電源設計者が直面している重要な課題をいくつか取り上げてみたいと思います。

はじめに

電源設計者の役割は変化し続けています。現在では、太陽光、環境発電技術、バッテリ、PoE、誘導充電、電力線といった幅広い動力源が利用できることに加えて、各電源レールの仕様という面でも、電源に関して対応すべき要件は大幅に多様化しています。半導体の革新が進み、ますます高度になったことで、パワーバジェットに関するニーズも広がる一方です。それは環境発電を動力源とする低消費電力の無線SoCデバイスから、演算処理を行うFPGAや推論プロセッサに使用される、シーケンス制御を備えた大電流の複数電源レールまで多岐にわたります。

過渡電圧とEMIへの対処

過渡電圧は、さまざまな動力源から供給される電源レールで発生する場合があります。

産業用モータ駆動に使用するような、電圧変化率の大きなスイッチングは、非常に大きな過渡電圧が発生する原因として知られています。受動部品で構成されるフィルタを使ってこのような過渡電圧を抑制しないと、スイッチングトランジスタ、関係するドライバや回路が永久的に損傷を受ける可能性があります。

入力電源を要求される出力電圧に変換するため、多くの場合、電源には降圧、昇圧、昇降圧といったスイッチングトポロジが使用されています。この電力変換手法は効率的で効果も実証されていることから、よく使用されていますが、スイッチング処理自体がEMIを発生させ、そのEMIが電源レールに伝わったり、放射されたりする場合があります。電源レールでのスイッチング過渡電圧には、従来のフィルタリング技術によって対処できます。しかし後述するように、高感度のモニタリング機器では、依然として回路の動作が過渡電圧により妨害されることがあります。放射ノイズによって回路設計は複雑になり、コストが増大する可能性が高まります。

たとえば、コンバータ回路の周囲に金属またはホイルによる遮蔽が必要になれば、新たな製造工程と部品コストが加わります。多くの場合、スイッチングレギュレータICの固定スイッチング周波数はおよそ1.5～1.8MHzです。この周波数はAM放送の無線帯域上端と重なるため、車載インフォテインメントの受信機のように、用途によっては問題の原因になる可能性があります。ただしこれは、問題を起こす可能性が低いスイッチング周波数のデバイスを選択することで解決できます。

Texas Instruments(TI)の「TPS6281x-Q1」はその一例です。このデバイスは車載用規格AEC-Q100に適合しており、デフォルトのスイッチング周波数は2.25MHzです。スイッチング周波数はレジスタを使用して1.8～4.0MHzの範囲で調節できます。スイッチング周波数を外部クロックと同期させることも可能で、コンバータ周波数が公称スイッチング周波数からプラス側に288kHzまでの範囲で不規則に変化する場合には、オプションで拡散スペクトル方式によって動作させることもできます。

フィルタリング技術を最大限駆使しても、高感度の測定はスイッチングコンバータからのごくわずかな干渉により影響を受けます。たとえば患者のバイタルサインモニタで行われる測定や、試験や計測を目的とする測定がそれにあたります。1.8～6.5V、750mAのTIの降圧型コンバータ「TPS62840」は、そのようなアプリケーションに適合する優れたデバイスです。標準60nAという低静止電流のこのデバイスは、STOPピンを使用してコンバータを一時的に停止させ、スイッチングノイズを完全に除去できます。コンバータの出力側に接続されたホールドアップキャパシタを使用して電力を供給することで、機器はノイズのない状態で動作を継続できます(図1参照)。この技術は、高感度の測定機能のサポートだけでなく、ワイヤレスリンクがわずかな場合のSN比の改善にも有効です。