コイル一体型 micro DCDCコンバータの構造と特長 | トレックス・セミコンダクター株式会社

1.はじめに

スマートフォンをはじめとした携帯機器に搭載される半導体や電子部品は、小型・低背化が求められ、これら半導体部品の低電圧化、大電流化に伴い、シリーズレギュレータより変換効率が良いDC/DCコンバータの採用が進んでいます。

DC/DCコンバータは通常、制御IC、コイル、コンデンサ、抵抗等で構成されるため、シリーズレギュレータに比べて実装面積が大きくなり基板コスト増加の要因になっています。さらに選定部品や基板レイアウトの良し悪しによって回路誤動作やノイズ問題を起こしてしまう事が多々あります。

このような問題を解決する製品として micro DC/DCコンバータが注目されています。micro DC/DCコンバータは部品点数が少ないので基板レイアウトが簡単で、ノイズも少なく開発工期の短縮に繋がります。

今回、micro DC/DCコンバータの製品概要を、使いどころのポイントと合わせてご紹介します。

2."micro DC/DC"コンバータの構造と特徴

TOREXの”micro DC/DC”コンバータ XCLシリーズは、制御ICとコイルを一体化した単一出力のスイッチングレギュレータが中心となっています。

パッケージ構造は製品仕様、IC、コイル、発熱(放熱性)等を考慮した上で決定しています。

各々のパッケージ構造には長所・短所が存在します。(表1)

表1 microDC/DCコンバータの構造と特徴

構造名	ポケットタイプ	スタックタイプ	マルチプルタイプ	クールポストタイプ
構造図
構造説明	ICをコイルで覆ってしまう方法	コイル上にICをスタックする方法	コイルとICを横に並べる方法	モールドされたICにコイルをスタックする方法
特徴	◎ 放射ノイズ ◎ 近傍磁界 △ コスト ◎ 実装面積〇大電流〇放熱	〇放射ノイズ △ 近傍磁界 ◎ コスト〇実装面積 △ 大電流 △ 放熱	〇放射ノイズ〇近傍磁界〇コスト △ 実装面積 ◎ 大電流 ◎ 放熱	〇放射ノイズ〇近傍磁界 △ コスト〇実装面積〇大電流 ◎ 放熱
製品	XCL100/XCL101（昇圧） XCL102/XCL103（昇圧） XCL201/XCL202（降圧） XCL205/XCL206（降圧） XCL210（降圧） XCL232（降圧） XCL233（降圧） XCL239/XCL240（降圧） XCL241/XCL242（降圧）	XCL208/XCL209（降圧）	XCL211/XC212（降圧） XCL237/XCL238（降圧） XCL243/XCL244（降圧）	XCL104/XCL105（昇圧）

ポケットタイプ/Pocket Type
ICのパッケージとコイルを張り合わせる構造。
スイッチング電流経路が短くなり、ノイズが非常に少ない。
スタックタイプ/Stack Type
コイル上にICチップを実装し樹脂モールド。
汎用のコイルが使えるため、比較的安価。
マルチプルタイプ/Multiple Type
コイルとICチップを隣に並べて樹脂モールド。
ICやコイルの放熱性が良いため、大電流に最適。
クールポストタイプ/Cool Post Type
樹脂モールド内に銅ポストを貫通させ、上部のコイルを低抵抗、低熱抵抗で基板と接続する構造。
スタック構造にも関わらず高効率、高放熱を実現。

3.低EMIに最適なパッケージ構造

電子機器の性能を十分引き出すためには、ノイズの発生を抑えるように回路設計の段階から”ノイズを考慮した設計をしているか否か”が重要です。しかし、電源回路部分はノイズの発生源であるにもかかわらず部品選定は最後になります。電源回路の設計が悪いと、どんなに高性能なICやLSIを使っても性能を引き出すことは出来なくなってしまいます。

TOREXの"micro DC/DC"コンバータは低EMIを達成するため、様々な対策を施してます。

漏れ磁束が少ないコイルを採用
micro DC/DCコンバータ用にコイル特性を最適化
DC/DCコンバータ動作の最適化
電流経路を考慮したピン配置や構造

3-1. EMI (Electromagnetic Interference)

XC9236B18Dと、XCL206B183の2つの製品の放射雑音を比較しました。

Condition: V_IN=3.7V, V_OUT=1.8V, I_OUT=200mA
図1. XC9236B18D(fosc=3MHz) vs. XCL206B183(fosc=3MHz) 放射雑音

XC9236(黒の波形)は50MHz~300MHzの広範囲でノイズを発生させています。一方、XCL206(緑の波形)は非常にノイズレベルが低い事が分かります。このように同じ動作周波数であっても、はっきりとした差が出ているため、"micro DC/DC"コンバータXCL206 は後手に回りがちなノイズ対策を容易にしてくれます。

また、XCL206と同じ構造のXCL202(fosc=1.2MHz)は動作周波数を低く抑えているため、更に低ノイズとなっています。(<参考資料>EMIデータ参照)

3-2. 近傍磁界強度(Near Magnetics Field)

XC9236B18D と、XCL206B183の2つの製品の近傍磁界強度を比較しました。

Condition: V_IN=3.7V, V_OUT=1.8V, I_OUT=200mA
図2. XC9236B18D(fosc=3MHz) vs. XCL206B183(fosc=3MHz) 近傍磁界強度

XC9236は周波数レンジ: 50MHz-300MHzでIC周辺に輪状に橙色や赤色が現れています。その中でもICのGND端子付近に一番強いノイズが発生していることが確認できます。また、コイルにも黄色の輪状のノイズが確認できます。コイルは簡易シールドタイプ(樹脂にフェライト粉末を混ぜたもの)のため、磁束漏れがノイズとして確認されたと考えられます。一方で、XCL206は橙色や赤色が無く、発生ノイズが少ないことが分かります。