低消費電力DC/DCコンバータへの最先端技術の導入

DC/DCは能動部品と受動部品の集合体ですが、なぜ同じように「別の」集積回路になり、小型化しないのでしょうか。その理由のひとつは、コンバータが大きな電力損失を伴うことが多く、放熱するための表面積が必要だからです。しかし、新しい変換技術によって効率が向上するにつれて、この問題は重視されなくなってきています。最大の理由は、ほとんどのコンバータで必要とされる磁性部品が、何十年にもわたって同じ製造技術と同じサイズに頑なにとどまっていることです。比較として、1988年に台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング・カンパニー（TSMC）は3μmのデザインルールでICを提供していましたが、今日ではその1000分の1の3nmとなっています[1]。

また、同じ時期に、機械加工が実用化されている典型的なディスクリート表面実装受動部品も、1206サイズから01005サイズまで縮小しており、フットプリントは50倍以上縮小しています。一方、DC/DCコンバータのトランスやチョークに使われる磁性体コアのサイズは、80年代からほとんど変わっておらず、材料固有の最大磁束密度と動作周波数によって、巻線の最小巻数が決められています。パワーエンジニアの世代に公平を期すため、新しい変換トポロジー、優れたコンポーネント、高度な熱設計による低損失化により、電力密度は向上しました。これによって、特定のDC/DCモジュールのサイズからより多くの出力電力を得ることができるようになり、非レギュレーテッドタイプのSIP7フォーマットの場合、おそらくわずか3倍のサイズになりました（図1）。

電力変換用マグネティックスの小型化には、スイッチング周波数の向上によるコアサイズの縮小、巻線巻数の削減、またはその両方の組み合わせが一般的であるため、常に選択肢がありました。しかし、スイッチング周波数が高くなると、半導体の効率が低下し、コアの損失が増加するため、内部温度が高くならない限りケース全体のサイズは必ずしも小さくなりません。解決策としては、高効率のために設計されたより複雑なコンバータが必要ですが、これは法外に高価であると考えられています。

磁気部品は、一般的なコンバータに取り付けるのにも比較的高価です。ファラデーが慣れ親しんだであろう、絶縁ワイヤーをコアに巻き付け、「フライング」ワイヤーを基板にはんだ付けするという組立技術もほとんど変わっていません（図2）。一般的なワイヤーサイズは0.18mmで、コア径は外径6mm、内径3mm。ボビンは一般に場所を取りすぎるし、プリント巻線を使う技術も、必要な巻数と巻線の数、多層基板の高コストのために、少なくとも低電力製品では実用的ではありませんでした。

ほとんどの低電力DC/DCコンバータ・メーカーは、従来の「ロイヤー」回路（図3）を使用するなど、できるだけシンプルで低コストの回路を作るという道を歩んできました。その結果、シンプルなトロイダルを巻き、ワイヤーを手作業で両面PCBにはんだ付けし、壊れやすい終端を保護するためにカプセル化またはオーバーモールドを行うという高い労働コストを相殺することができました。回路と組立技術は何年もかけて改良され、単純な非レギュレーテッド・コンバータでは約10個のディスクリート部品を使用するだけですが、レギュレーテッド・バージョンでは15個の部品を使用します。トランスの製造とモジュールの組み立てを低コストの地域で行うことで、最終製品は合理的な効率で、絶縁、広い動作温度範囲、固定レベル間の極めて正確な電圧変換を提供します。手作業で組み立てる方法の利点は、入出力電圧や定格電力が異なる製品のバリエーションが、巻数を増やしたり減らしたりする簡単なオペレーターへの指示で比較的容易に製造できることです。

しかし、このアプローチには避けられない欠点があります。手作業による組み立てはサンプル間のばらつきを生み、単純な回路で包括的な故障保護を提供することは難しく、安全認証レベルの絶縁は、より複雑でコストがかかり、ケースサイズが大きくならなければ現実的ではありません。基本的なロイヤーコンバータにはラインや負荷のレギュレーションがなく、出力電圧は非常に軽い負荷や無負荷の状態で著しく上昇することがあります。さらに、エンドユーザーが価格低下を期待する一方で、人件費は時間の経過とともに増加するばかりで、生産量に応じて労働要素が減少することもありません。同時に、スペースに制約のある現代のアプリケーションに対応するため、パワーコンバータの機能性と効率性を高め、サイズを小さくすることが市場からの圧力となっています。