~Maker Interview~

メーカのHOTなトピックス、今最も注力している製品にフォーカスし、
開発現場や製品企画担当の方々に戦略や今後の方針を語っていただくコーナー。
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電源ICのノイズを低減する「サイレント・スイッチャ」、製品展開を急ぐと同時に、進化版の開発にも着手

石井 禎浩氏、佐藤 啓紀氏、吉栖 孝弘氏、浅田一成氏、二村 正人氏 石井 純氏

 車載機器や産業機器、医療機器、OA機器、民生機器などの電子機器には、電源ICが欠かせない。電源ICをうまく使いこなさなくては、魅力的な電子機器を実現できないと言っても過言ではないだろう。

 その電源ICにとって重要な特性は何か。すぐに頭に思い浮かぶのは、変換効率や出力のリップル電圧、最大出力電流などである。しかし、こうした特性のほかに、これらと同等、もしくはそれ以上に重要視されている特性がある。それは、放射ノイズ(EMI)である。放射ノイズとは、高周波の電流が流れることで発生するもの。対策を打たなければ、AMラジオの受信に悪影響を与えたり、ほかの電子回路の動作を妨害したり危険性がある。さらに電子機器の放射ノイズには国際規格が用意されており、規制値をクリアできなければ製品を市場に投入できない。

 そこでアナログ半導体メーカーは、電源ICの放射ノイズを低減するため、さまざまな技術を開発して適用している。そうした技術の中で、現在注目を集めているのが、米アナログ・デバイセズ社の「Silent Switcher(サイレント・スイッチャ)」である。この技術を適用すれば、放射ノイズを20dB程度削減できるという。そこで今回は、同社の日本法人であるアナログ・デバイセズにおいてパワーシステムズ ジャパン マーケット マネージャーを務める石井純(いしい・じゅん)氏に、サイレント・スイッチャ技術の基本的な原理や効果、同技術の製品への適用状況、今後の技術展開などについて聞いた
(聞き手:山下勝己=技術ジャーナリスト)

まず、アナログ・デバイセズが製品化する電源ICのラインナップを紹介してほしい。

石井 当社の電源IC製品のラインナップは広い。回路トポロジーで分類すると、降圧型やLDO(Low Drop Out)、昇圧型、昇降圧型、フライバック型、フォワード型に対応した電源ICを用意している。このほかの電源IC製品としてはLEDドライバICやバッテリー充電ICなどがある。特に、現在LEDドライバICは、自動車の各種ランプの駆動に採用されており、市場が急拡大している。注目の製品だ。このほか、電源の応用製品として、アナログ方式の電源回路とデジタル制御回路を組み合わせたパワー・システム・マネジメント(PSM)ICや、PoE(Power over Ethernet)対応IC、ホットスワップ(活線挿抜)IC、スーパーアドバイザICなども用意している。

サイレント・スイッチャ技術は、これらのラインナップの中でどの電源ICに適用しているのか。

石井 同期整流方式を採用した降圧型DC-DCコンバーターICに適用している。同期整流方式とは、ダイオードではなくMOSFETを使って整流する電源回路方式である。すなわちハイサイド・スイッチ(MOSFET)とローサイド・スイッチ(MOSFET)で構成している。

基本構成は「LT8610」を踏襲

サイレント・スイッチャ技術を適用した製品を具体的に教えてほしい。

石井 サイレント・スイッチャ技術を適用した降圧型DC-DCコンバーターICの製品型番は「LT86xx」である。例えば、「LT8640」や「LT 8640S」などがある。

 基本的な方針として、最大入力電圧が36V以上で、最大出力電流が2A以上の降圧型DC-DCコンバーターICに適用している。そうした高耐圧/大電流の製品の方が、サイレント・スイッチャ技術を適用する効果が大きいからだ。

LT8640に適用したサイレント・スイッチャ技術について詳しく教えてほしい。

42V入力、3.5V出力の同期整流方式の降圧型DC-DCコンバーターIC

図1: 42V入力、3.5V出力の同期整流方式の降圧型DC-DCコンバーターIC
「LT8610」の特長をまとめた図である。

高いスイッチング周波数でも高い変換効率を維持

図2: 高いスイッチング周波数でも高い変換効率を維持
「LT86xx」の場合である。スイッチング周波数が高くても、変換効率の低下幅は小さい。

石井 サイレント・スイッチャ技術を説明する前に、LT8640の降圧型DC-DCコンバーターICとしての基本的な特徴を紹介させてほしい。LT8640は、サイレント・スイッチャ技術を適用していない同社従来品「LT8610」の基本構成を踏襲している。つまり、LT8610の特徴をそのまま受け継いでいるわけだ(図1)。その特徴は全部で4つある。

 1つ目は、スイッチング周波数を高く設定しているにもかかわらず、変換効率が高いことである(図2)。一般に、スイッチング周波数が高ければ高いほど、変換効率は低下する。スイッチング損失が増えるからだ。しかし、LT8610やLT8640は、スイッチング周波数を高めることで変換効率は低下するが、その低下幅は非常に小さい。競合他社品は1M〜1.5MHzを超えたあたりから、変換効率が大幅に低下するが、LT8610やLT8640は2MHzでも変換効率の低下幅は小さく、大きく落ち込むことはない。

なぜ実現できたのか。技術的な理由を教えて欲しい。

石井 技術的なポイントは2つある。1つは、ハイサイド・スイッチとローサイド・スイッチが両方ともオフする期間、すなわち「デッドタイム」を可能な限り短くしたことである。もう1つは、スイッチング波形の立ち上がり時間を最適化したことだ。通常、立ち上がり時間を短くすると、スイッチング波形にリンギングが発生する。その一方で、立ち上がり時間を長くすれば、電力損失が増える。今回は、立ち上がり時間を短くして電力損失を抑え、さらにリンギングが発生しないような工夫を施した。

具体的には、どのような技術を使っているのか。

石井 ポイントによる性能差が非常に大きい。仮にサイレント・スイッチャ技術を真似できたとしても、この2つの技術的なポイントがあるため、同じ性能や特性を実現することは難しいだろう。

消費電流をスペック化

2つ目の特徴は何か?

スペクトラム拡散クロック技術

図3: スペクトラム拡散クロック技術
クロック周波数(スイッチング周波数)を変化させることで、放射ノイズのピーク値を低減させる。

石井 2つ目は、スペクトラム拡散クロック技術を採用していることだ。もはやこの技は決して新しいものではないが、当社では独自の工夫を施している。

 スペクトラム拡散クロック技術は、クロック信号の周波数を変化させて、放射ノイズのピーク値を下げるもの(図3)。EMI規格は、ピーク値で規制されているため、規格をクリアしやすくなる。その一方で、ノイズのフロアも高くるという問題がある。ユーザーが設計中の電子機器によっては、これが大きな問題になるケースがある。そこで当社では、スペクトラム拡散クロック技術のオン/オフを切り替えられるようにした。

 さらにクロック周波数の変調幅も工夫した。一般に、変調幅はクロック周波数の±3%などに設定する。しかし、仮にスイッチング(クロック)周波数が2MHzの場合、周波数が低い側に変化すると、AMラジオの放送帯に干渉する危険性がある。そこで当社は変調幅を2MHz+20%に設定している。こうすることで、AMラジオ放送帯への干渉を防げるほか、ノイズ・フロアを低くする効果も得られる。

3つ目の特徴は何か?

広い負荷領域で高い変換効率を実現

図4: 広い負荷領域で高い変換効率を実現
「LT8610AB」の場合である。0.1m〜2.5Aの広い負荷領域全体で、高い変換効率が得られている。

石井 3つ目は、広い負荷範囲で高い変換効率が得られることだ。12V入力で5V出力の場合、負荷電流が0.1m〜2.5Aと広い範囲で約87〜95%と高い変換効率が得られる(図4)。しかも当社は、入力電圧、出力電圧、出力電流のさまざまな条件において消費電流をスペック化している(特性値として保証している)。この点を車載機器メーカーに高く評価してもらい、実際に採用に至っている。

なぜ車載機器メーカーは、降圧型DC-DCコンバーターICの消費電流を気にしているのか。それほど大きな電流量だとは思えない。

石井 車載機器メーカーは、降圧型DC-DCコンバーターICの待機時消費電流に対して、12Vバッテリー換算で100μA以下に抑えることを求めている。確かに、降圧型DC-DCコンバーターICが1個だけなら大した消費電流量ではない。しかし、自動車に搭載されるECU(電子制御ユニット)はどんどん増えている。降圧型DC-DCコンバーターICが20個や30個搭載されれば、消費電流量は20倍、30倍になる。このため、1個の降圧型DC-DCコンバーターICの待機時消費電流にこだわっているわけだ。

最後の特徴である4つ目は何か?

ドロップ・アウト・モード

図5: ドロップ・アウト・モード
入力電圧が出力電圧より低くなっても、小さなドロップアウト電圧で出力を維持できる。

石井 ドロップ・アウト・モードを備えていることだ。具体的には、入力電圧が出力電圧を下回っても、出力電圧はすぐにゼロにならず、少しずつ低下しながら最終的にゼロになるという機能である(図5)。

 この機能も車載機器メーカーからの評価が高い。車載機器メーカーは、「出力電圧がすぐにゼロにならず、少し粘ってほしい」という要求があるからだ。出力電圧がゼロに下がるまでに、少し時間を確保できれば、その間でデータをバックアップしたり、警告を表示したりすることなどが可能になる。当社の製品は、入力電圧が5Vを下回っても、2.1V〜2.2V程度までは出力電圧を負荷に供給し続けられる。

入力コンデンサーをパッケージに内蔵

それでは、LT8640に適用したサイレント・スイッチャ技術について詳しく説明してほしい。

電源入力を2つに分割

図6: 電源入力を2つに分割
従来の「LT8610」では、電源入力が1つだった。「Silent Switcher(サイレント・スイッチャ)」技術を適用したLT8640では、電源入力を2つに分割した。

サイレント・スイッチャの原理

図7: サイレント・スイッチャの原理
2つのホットループを完全なる線対称に配置することで、放射ノイズを閉じ込める。こうして放射ノイズのレベルを低減する。

石井 サイレント・スイッチャ技術は、2つの技術要素から構成されている。1つは、電源入力を2つ用意したことである。

 通常、降圧型DC-DCコンバーターICの電源入力(VIN)は1つだが、サイレント・スイッチャでは2つある。これが「ミソ」である。図6を見れば一目瞭然である。当社従来品であるLT8610は電源入力が1つだけだが、サイレント・スイッチャ技術を適用したLT8640は電源入力が2つある。

 通常、電源入力部では、グラウンドとの間に入力コンデンサーを入れる。このとき、入力コンデンサーから、IC内部のハイサイド・スイッチとローサイド・スイッチを通ってグラウンドを経由し、再び入力コンデンサーに戻る電流経路が形成される。一般に、この電流経路を「ホットループ」と呼ぶ。なぜホットループと呼ぶのか。それはハイサイド・スイッチやローサイド・スイッチがオン/オフを頻繁に繰り返すため高周波電流が流れ、それによって高レベルのノイズが発生するからである。

 そこでサイレント・スイッチャ技術では、電源入力を2つに分割し、それぞれに入力コンデンサーを接続する。こうしてホットループを2つ作るわけだ(図7)。このときホットループが完全に線対称になるように配置すれば、それぞれのホットループで発生するノイズを閉じ込めることが可能になり、放射ノイズを大幅に低減できるようになる。

打ち消す効果ではないのか?

石井 恐らく、「閉じ込め」と「打ち消し」という2つの効果によって、ノイズを抑えられていると考えている。

もう1つの技術要素は何か?

サイレント・スイッチャで採用したパッケージ技術

図8: サイレント・スイッチャで採用したパッケージ技術
従来はAu(金)線によるワイヤー・ボンディングで接続していたが、サイレント・スイッチャではCu(銅)ピラーによる接続に変更した。

サイレント・スイッチャの採用で放射ノイズを20dB低減

図9: サイレント・スイッチャの採用で放射ノイズを20dB低減

石井 パッケージ技術である。LT8610とはパッケージが大きく異なる。従来は、Au(金)線を使ったワイヤー・ボンディングで、ダイとリードフレームを接続していた。しかしLT8640では、ダイとリードフレームをCu(銅)ピラーで接続する方法に変えた(図8)。具体的には、ダイの表面にCuピラーを取り付け、表面を下にして(フェイスダウンで)リードフレームと接続する。Cuピラーとリードフレームとの接続は、圧力で押さえ付けるだけだ。この接続方法を使うことで、機械的なストレスと熱的なストレスを吸収している。高い放熱特性も実現できている。

 さらにワイヤー・ボンディングは、アンテナとして機能し、放射ノイズの発生源になってしまうという問題もある。この問題もCuピラーに変更することで解決した。

 この結果、サイレント・スイッチャを適用したLT8640は、従来のLT8610と比較すると、放射ノイズを20dB程度低減できるようになる(図9)。

次世代のサイレント・スイッチャ技術を開発中

2つのホットループを完全な線対称で配置できない場合は、どうなるのか?

「Silent Switcher2(サイレント・スイッチャ2)」

図10: 「Silent Switcher2(サイレント・スイッチャ2)」
2つの入力コンデンサーをICパッケージに内蔵した。

石井 期待通りの効果は得られないだろう。実際のところ、ボード設計に関するさまざまな制約によって、線対称での配置が難しいケースが発生している。さらに、企業によっては、部品間のクリアランス(間隔)のルールがあるため、降圧型DC-DCコンバーターICの直近に置けないケースもある。

 こうした問題を解決するために開発したのが「サイレント・スイッチャ2」である。基本的な考え方はサイレント・スイッチとまったく同じである。違いは、降圧型DC-DCコンバーターICのパッケージ内部に2個の入力コンデンサーを内蔵した点にある(図10)。こうすれば、ホットループを構成する金属配線や、入力コンデンサーの配置場所を当社が最適化できる。つまり、ノイズを最小限に抑えられる設計を実現にできる事になる。

パッケージの内部構造を教えてほしい。

石井 当社が「BTサブストレート」と呼ぶガラス・エポキシ基板の上に降圧型DC-DCコンバーターICのダイと、2個の入力コンデンサーなどを実装し、プラスチック樹脂でモールドした。同社は、このパッケージを「LQFN」と呼んでいる。ダイで発生した熱は、Cuピラーを介してBTサブストレートの金属配線に逃がすため、放熱特性が高いという特徴もある。

LQFNパッケージの信頼性はどうか?

石井 一般に、車載機器メーカーはQFNパッケージをあまり好きではない。なぜならば、温度サイクル試験をクリアできないからである。ところがLQFNは違う。BTサブストレートの熱膨張係数がFR4基板のそれに近いため、高い実装信頼性を確保できる。このため、温度サイクル試験は3000回をクリアできる。温度サイクルによるはんだクラックは問題となる発生は一切ない。

サイレント・スイッチャ2技術を適用した製品にはどのようなものがあるのか。

同期整流方式を採用した降圧型DC-DCコンバーターICの製品ラインナップ

図11: 同期整流方式を採用した降圧型DC-DCコンバーターICの製品ラインナップ
サイレント・スイッチャ技術を適用した製品の型番は「LT86xx」である。サイレント・スイッチャ2技術を適用した製品は、型番の末尾に「S」が付いている。

石井 LT8640のダイを採用し、2個の入力コンデンサーを一緒に内蔵したのが「LT8640S」である(図11)。サイレント・スイッチャ2技術を採用した製品型番は、末尾に「S」を付けている。

今後、サイレント・スイッチャ技術にはまだ進化の可能性があるのか?

石井 すでに「サイレント・スイッチャ3」と「サイレント・スイッチャ4」の開発に着手している。どのような技術なのかは、現時点では明らかにできないが、2020年中には公表できるだろう。

インタビューで紹介した商品のご紹介

シリーズ 商品内容 型番
LT8610 LT8610 Demo Board DC1749B
LT8610A LT8610AB Demo Board DC2012A
LT8610A LT8610A Demo Board DC2139A
LT8610A 静止電流が2.5μAの42V、3.5A同期整流式降圧レギュレータ LT8610ABIMSE#PBF
LT8610A 静止電流が2.5μAの42V、3.5A同期整流式降圧レギュレータ LT8610ABIMSE-3.3#PBF
LT8610A 静止電流が2.5μAの42V、3.5A同期整流式降圧レギュレータ LT8610ABIMSE-5#PBF
LT8640 LT8640EUDC Demo Board DC2202A
LT8640 静止電流が2.5μAの42V、5A同期整流式降圧Silent Switcher LT8640IUDC#PBF
LT8640 静止電流が2.5μAの42V、5A同期整流式降圧Silent Switcher LT8640IUDC-1#PBF
LT8640 静止電流が2.5μAの42V、5A同期整流式降圧Silent Switcher LT8640IUDCF-1#PBF
LT8640S LT8640S Demo Board DC2530A
LT8640S 静止電流が2.5μAの42V、6A同期整流式降圧Silent Switcher 2 LT8640SIV#PBF
LT8640S-2 静止電流が2.5μAの42V、6A同期整流式降圧Silent Switcher 2 LT8640SIV-2#PBF