PCBスペースの制約？中間バスコンバータがどのように役立つか

中間バスアーキテクチャは、電力設計者がPCBスペースを節約するために使用している新しい方法です。この記事では、この手法を採用することによるソリューションのメリットとトレードオフ、およびアプリケーション固有の要件に対応するためにこの手法を拡張する方法について説明します。

パワーエレクトロニクスの分野は、ピータークーパーヒューイットによる1902年の水銀アーク整流器の発明に100年以上さかのぼる、確立された高度に研究された産業になりました。これらの整流器の発明に続いて、1926年に熱陰極ガス管整流器、1948年にトランジスタ、1956年にp-n-p-nシリコントランジスタ、1980年にIGBTなどが発表されました。 21世紀において、パワーエレクトロニクスは、クリーンエネルギー、電気自動車、およびサーバーアプリケーションの分野で進化を続けています。これらの新興産業の成長には、電力設計者が、より小さく、より費用効果の高いソリューションを求める進化する要件を満たすための新しい革新的なソリューションを見つける必要があります。

そのような新しいアーキテクチャの1つは、電力アプリケーションでの中間バスコンバータ（IBC）の使用です。分散型電源アーキテクチャ（DPA）は、ポイントオブロード（POL）設計の業界標準になりましたが、中間バスアーキテクチャ（IBA）を利用することは、設計者がソリューションサイズを縮小し、低コストのPOLコンバータを使用できるようにする新しい方法です。 POLコンバータは、負荷の近くにある降圧DC-DCコンバータであり、インピーダンスを最小限に抑え、正確な電圧供給を提供します。インテル®Enpirion®PowerSoCなどのパワーモジュール、またはディスクリートバックコンバーターのいずれかです。 IBAを使用してPOLコンバーターに電力を供給することで、競争力のあるシステム効率を維持しながら、コストを削減し、ソリューションサイズを小さくすることができます。

図1。 1ステージの従来の分散型電源アーキテクチャと2ステージの中間バスアーキテクチャ

DPAよりもIBAを使用する利点は、変換される電源レールの数に依存します。レールが多いほど、スペースとコストを節約できます。使用するPOLコンバーターによっては、システム効率を維持できます。

表1.IBAとDPAのトレードオフの比較

	IBCアーキテクチャ	DPAアーキテクチャ
コスト	インダクタとPOLコンバータが小さいためコストが低くなります	より高い電圧プロセス技術と必要なインダクタンスによるより高いコスト
効率	第1段階の変換での電力損失によるシステム効率の低下	中間段階がない場合のシステム効率の向上
ソリューションサイズ	ソリューションの合計サイズが小さい	より大きな合計ソリューションサイズ
電力密度	より高い電力密度のソリューション	低電力密度ソリューション
レールの数	3つ以上の出力レールでの使用に最適	<3つの出力レールでの使用に最適

以下の説明では、Intel EC2650QI 12-to-6V中間バスコンバーターとIntelEnpirionPowerSoCを設計例として使用します。

表2.Intel Enpirion EC2650QI 12〜6V中間バスコンバーター

仕様	機能
VIN：8 – 13.2 V	最大94％の効率
VOUT：VIN / 2	高さ0.9mm
6連続出力電流	バスコンバータあたり36Wの出力電力
150mm²のソリューションサイズ	並列対応（合計144 Wで最大4つ）

必要なPCBスペースが少ないマルチステージ電力変換アプローチ

1段階のアプローチで12Vから直接変換する場合、使用される後続の12 V DC-DC電力変換器は、より大きな入力に耐えるために20V以上のプロセス技術を必要とします。動作範囲と電圧スパイクによるデバイスの故障との間に十分なマージンを保証するには、より高い電圧プロセスが必要です。内部のトランジスタのドレイン、ソース、およびゲートの間に必要なスペースが増えるため、電圧プロセスが大きくなるほど、デバイスも大きくなります。

対照的に、最初に12Vから6Vに降圧することによって2段階のアプローチを利用すると、下流の入力POLモジュールを低くすることができます。低入力電圧モジュールは、10 Vプロセス技術のみを必要とし、これらの高入力電圧を処理するための内部回路を必要としないため、多くの場合、より小さく、競争力のある価格になっています。

さらに、より高い入力電圧から変換する場合、インダクタは各スイッチングサイクル中の電圧差を処理できなければなりません。 12 Vから直接降圧する場合は、出力リップルを最小限に抑えるために、より高いインダクタンスまたはより高いスイッチング周波数が必要です。多くの場合、スイッチング周波数が高いほど電力損失が大きくなり、効率が低下するため、電力設計者はより高いインダクタンスを実装することを選択します。ただし、この高いインダクタンスは、インダクタの磁気コアの周りの巻線が増えることを意味し、インダクタの物理的なサイズが大きくなります。代わりにIBCを使用して12Vから6Vに降圧すると、設計者は各POLのインダクタの物理サイズを大きくすることなく同様のリップルを実現できます。

2段階の変換ペナルティにもかかわらず効率的な設計ソリューション

2段階アプローチでの全体的なシステム効率は、バスコンバータの効率に大きく依存します。一般的な2段階の電力変換ペナルティを回避するために、設計者は、スイッチトキャパシタトポロジを使用して最大94％の変換効率を実現するEC2650QIなどの高効率IBCを選択する必要があります。

例：

1ステージの直接変換アプローチでは、IntelEN2340QIを使用して3Aで12Vを3.3Vに変換すると、92％になる可能性があります。

図2。 Vinが12Vの場合のIntelEnpirionEN2340QIの効率曲線。

2段階のアプローチでは、最初に12Vを6Vに変換すると、Intel EC2650QIを使用して94％になる可能性があります。

• 次に、IntelEN6340QIを使用して3Aで6Vを3.3Vに変換すると、95％になる可能性があります。
• 最後に、2段階アプローチの合計効率は0.94 x 0.95 =89.3％になります。

図3。 Intel EnpirionEC2650QIの効率曲線は12VのVinを与えます。

図4。 Vinが5Vの場合のIntelEnpirionEN6340QIの効率曲線。

92％と89.3％を比較すると、IBCは、直接変換アプローチにはない追加の効率損失を生み出すことがわかります。ただし、一部の電力設計者またはアプリケーションでは、得られるスペースの節約が効率の妥協を上回る場合があります。

この効率の低下は、IBCの使用によって得られるスペースの節約を維持しながら、いくつかの設計を選択することでさらに軽減できます。電力設計者は、低電流レールでIBCを特別に設計することを選択できます。これにより、失われる追加のワット数が最小限に抑えられます。また、全体的な設計をより効率的にすることができる、より大きなコンバーターを選択することもできます。 IBCを使用すると、エンジニアは設計の選択肢を拡大して、サイズの制約、効率の要件、およびコストのニーズのバランスが完全に取れたアーキテクチャを見つけることができます。

システム設計者はいつIBAを使用して設計することを選択する必要がありますか？

一般に、電力設計者は、ソリューションのサイズやコストの要件が厳しい場合にIBAを検討する必要がありますが、効率にはある程度の柔軟性があります。特に、この2段階のアプローチを使用すると、3つ以上のレールを変換する場合に最も効果的です。これは、ソリューションサイズが小さく、コストが低いという利点がますます明らかになるためです。上記のように、IBCアーキテクチャは、特定の設計要件を満たすように拡張および適合させることができます。

たとえば、次の4つの手すりにIntel EN2342QIを使用する場合、推定システム効率は約87％で、ソリューションの合計サイズは800mm²です。 4つの小さなPOLコンバーターでIBCを使用する場合、推定システム効率は約84％で、ソリューションの合計サイズは390mm²です。 2ステージのアプローチは、PCBスペースの半分未満しか必要とせず、同等の効率を実現し、スペースを51％節約します。手すりを追加するたびに、スペースが平均100mm²節約され、さらにコストが節約されます。

図5。 小さなPOLを使用した1ステージと2ステージのIBCアーキテクチャのパワーツリーの例

表3.総効率とソリューションサイズのシステムレベルの比較

1-大きなPOLを使用したステージ	2-小さなPOLを使用したステージ
効率：〜87％	効率：〜84％
ソリューションの合計サイズ：800mm²	ソリューションの合計サイズ：390mm²

一部の設計者にとっては、大幅なスペースとコストの節約により、システム効率の低下を補うことができます。ただし、次の例のように、いくつかの小さなPOLコンバータを大きなコンバータに置き換えることで、効率をさらに調整および改善できます。

図6。 小規模および大規模のPOLを使用した1ステージと2ステージのIBCアーキテクチャのパワーツリーの例

表4.総効率とソリューションサイズのシステムレベルの比較

1-大きなPOLを使用したステージ	2-小規模および大規模なPOLを使用したステージ
効率：〜87％	効率：〜85％
ソリューションの合計サイズ：800mm²	ソリューションの合計サイズ：590mm²

上記の例では、2つの小さなEN6340QI POLコンバーターを、より大きく、より効率的なEN6362QIコンバーターに置き換えました。その後、効率は85％以上に向上し、DPAアプローチと比較した場合のソリューションサイズはさらに26％小さくなりました。

IBAはカスタマイズされたソリューションのための追加の設計ツールを提供します

要約すると、IBAは、エンジニアが特定のニーズを満たすソリューションをカスタマイズするための追加の設計ツールとユニークな機会を提供します。中間バスコンバータを組み込むことにより、電力設計者は、より低い電圧プロセスとインダクタンスの両方を必要とするモジュールを使用できます。これらの変更は、ソリューションの合計サイズの縮小に直接つながります。

追加のステージで失われる電力は、高効率のIBCを使用し、アプリケーション固有の設計を選択することで軽減できます。そのような例の1つがIntelEnpirion EC2650QIです。これは、最大4台のデバイスと並列化して144 Wバスを作成でき、各デバイスのソリューションサイズの合計はわずか150mm²です。

追加のリソース

• IntelEnpirion情報ページ
• Intel Enpirion Power SolutionsYoutubeビデオの紹介
• EC2650QI製品ページ
• IntelEC2650QIの概要Youtubeビデオ

業界記事は、業界パートナーが編集コンテンツに適さない方法でAll About Circuitsの読者と有用なニュース、メッセージ、テクノロジーを共有できるようにするコンテンツの形式です。すべての業界記事は、読者に有用なニュース、技術的専門知識、またはストーリーを提供することを目的とした厳格な編集ガイドラインの対象となります。業界記事で表明されている見解や意見はパートナーのものであり、必ずしもAll AboutCircuitsやそのライターのものではありません。