BBC micro:bit および MakeCode Arcade 用の Kitronik Arcade バッテリ駆動システムなどの多くの電子設計では、入力電圧の変動時に安定した電圧出力を維持するために強力な DC/DC コンバータが必要です。 4 つのスイッチのステップダウンからステップアップへのトポロジは、その柔軟性と電力密度により一般的な選択ですが、これらのシステムを大電流アプリケーションに拡張する場合には、大きな設計上の課題があります。設計者は、降圧電圧レギュレータと昇圧電圧レギュレータ内のアーキテクチャのバランスを注意深く取る必要があります。具体的には、インダクタと電流検出デバイスの統合は、回路全体のサイズ、複雑さ、効率に大きな影響を与えます。
このペーパーでは、電力システム設計者が直面する課題とトレードオフの概要を説明します。続いて、アナログ・デバイセズの降圧および昇圧加圧器製品ラインのソリューションと、それらのソリューションがこれらの課題にどのように対処し、設計を最適化するかを説明します。設計者がプロトタイピングと開発をスピードアップするために使用できる評価キットとソフトウェアが強調されています。
大電流降圧 - 昇圧設計における統合されたトレードオフ
4 スイッチ降圧/昇圧コンバータでは、パワー段に 4 つの MOSFET、パワー インダクタ、および電流検出デバイスが必要です。これらのコンポーネントをモジュール パッケージとプリント基板 (PCB) の間でどのように割り当てるかは、設計者にとって重要なアーキテクチャ上の決定です。
インダクタと検出抵抗を PCB 上に外部配置することで、設計者はコンポーネントの選択を完全に制御できるようになります。インダクタのサイズ、コア材料、飽和電流はアプリケーションに正確に適合させることができます。ただし、この柔軟性には代償が伴います。外部コンポーネントが基板スペースを占有し、レイアウトが複雑になり、電流検出経路のノイズを最小限に抑えるために慎重な配線が必要になります。
インダクタと検出抵抗をモジュールパッケージに統合することで、設計とレイアウトが簡素化され、コンポーネントの数と PCB の設置面積が削減されます。ただし、トレードオフもあります。インダクタはパッケージ サイズによって制限され、最大出力電流と熱性能が制限される可能性があります。
さらに、検出抵抗を非破壊電流検出方式に置き換えることができるため、検出抵抗が完全に不要になります。これにより電力効率は向上しますが、降圧 - 昇圧モジュールの集積回路 (IC) 設計はより複雑になります。
3 つのモジュール シリーズはステップダウンおよびステップアップ統合の課題にどのように対処しますか
アナログ・デバイセズは、広範なμ Module 製品ラインの一部として、設計者がこれらの統合戦略の中から選択できる幅広い DC/DC モジュールを提供しています。このペーパーでは、4 スイッチ降圧昇圧モジュール (図 1): LTM4607、LTM4605、および LTM4 に焦点を当てます。 LTM8055、LTM8056、およびLTM8054。そしてLTM4712。それぞれは入力電圧および出力電流範囲内の異なる領域に対応しています。
4 スイッチ降圧 - 昇圧 µ モジュールのグラフィック
図 1: 4 スイッチ降圧 - 昇圧 µ モジュールが示されています。これらは、さまざまな入力電圧と出力電流に合わせてさまざまな方法で構築されています。画像出典: Analog Devices、Kenton Williston により修正)
外付けインダクタと検出抵抗を備えた DC/DC コンバータ
LTM4、LTM4605、およびLTM4統合コントローラおよびMOSFETは、回路基板の外側にパワー・インダクタと電流検出抵抗を備えたµ Moduleパッケージに収められています（図2）。この構造により、設計者は特定のアプリケーション要件を満たすためにインダクタとインダクタ抵抗の値を柔軟に選択できます。
アナログ・デバイセズ LTM4、LTM4605、および LTM4 の回路図
図2：LTM4607、LTM4605、LTM4のパッケージング（左）と、外部インダクタと誘導抵抗を強調表示した対応する電力レベルの回路図（右）。画像出典: アナログ・デバイセズ)
LTM4、LTM4605、および LTM4pin 互換の 15 mm x 15 mm x 2.82 mm LGA パッケージ。 LTM4605は、入力電圧範囲が4.5V～20V、出力電流が12A（減電圧モード）の低電圧アプリケーション向けに設計されています。 LTM4607およびLTM4は、10A（減電圧モード）の入力範囲を36Vまで拡張し、LTM4の出力電圧範囲は0.8V～34Vと最も広いです。
インダクタと検出抵抗を内蔵したDC/DCコンバータ
LTM8055、LTM8056、およびLTM8054（図3）は、パワー・インダクタと電流検出抵抗をµ Moduleパッケージに統合し、PCB上の外付け部品の数を減らして設計とレイアウトを簡素化します。
アナログ・デバイセズ LTM8055、LTM8054、および LTM8056 の回路図
図3は、LTM8055、LTM8054、およびLTM8056デバイスのモジュール（左）を示し、統合されたインダクタと検出抵抗の回路図レイアウト（右）を強調表示しています。画像出典: アナログ・デバイセズ)
このホワイトペーパーで説明する 3 つの異なるシリーズのうち、このシリーズの出力電流は最も低く、LTM8054 では 5.4 A、LTM8056 では 5.5 A、LTM8055 では 8.5 A です（値はすべて降圧モード）。 LTM8056の入力範囲は5V～60Vで、ここで説明するデバイスの中で最も広く、最大出力電圧は48Vです。LTM8054は最もコンパクトで、設置面積15mm x 11.25mm、高さ3.42mmで、スペースに制約のある設計に適しています。 LTM8055 および LTM8056 は 15 mm x 15 mm x 4.92 mm にカプセル化されています。
インダクタと非破壊電流検出機能を内蔵した DC/DC コンバータ
LTM4712（図4）は、さまざまな電流検出方法を使用しています。個別の検査抵抗を使用する代わりに、モジュールに統合された独自の NDI ソリューションを使用します。これにより、専用の検出抵抗に伴う電力損失がなくなります。