なぜ電源エンジニアは、DC/DCコンバータ設計でサイズと電力密度以上を重視するのか？

数十年にわたり、ACトランスに整流回路とリニアレギュレータを組み合わせた方式がDC電圧の生成に用いられてきました。これらは大型で、変換効率が60％未満であるため、多くの電力が熱損として失われていました。

スイッチング電源を用いた電圧変換技術は、20世紀初頭にはすでに知られていました。1910年に発明されたガソリンエンジンの点火回路は、数百ヘルツの最大スイッチング周波数を持つフライバックコンバータに相当します（図1参照）。

図1：4気筒ガソリンエンジンの点火回路―これはシンプルなフライバックコンバータです。

1950〜1960年代の技術革新により、スイッチング周波数は50kHzを超えるようになり、スイッチング電源（Switched-Mode Power Supply、SMPS）が市場に登場しました。従来のACトランスに比べて体積は75%小さく、効率は80%以上を実現しました。1970年代以降、SMPSはまず測定機器やコンピュータに導入され、その後は産業用および家庭用アプリケーションにも広がりました。

多様なトポロジー、高性能パワー半導体、コントローラICと、数百kHzにおよぶスイッチング周波数の組み合わせにより、更なる小型化と高効率化が可能になりました。現在のソリューションは、わずかなスペースで動作し、電子機器の小型化という時代の流れの一部となっています。DC/DCコンバータモジュールのサイズおよび電力密度（W/cm³またはW/inch³）は重要な指標となっています。 しかし、これらのパラメータだけが選定基準なのでしょうか？

サイズと電力密度以上に重要なこと

最終的に重要となるのは、DC/DCコンバータ本体、冷却要素、入力EMIフィルタ、保護回路、出力コンデンサを含む電源ソリューション全体のサイズ、信頼性、および対応可能な最大周囲温度です。本記事では、まずP-DUKEのFED60W（12V/60Wを出力する2×1インチのDC/DCモジュール）を使用した既存の設計事例を紹介し、さらにP-DUKEの新製品2機種が、同じサイズで出力を100Wまで拡張する、あるいは出力を50Wに抑えることでソリューション全体を小型化する方法について解説します。

冷却と定格出力の低減（デリーティング）

あらゆる電力変換プロセスでは熱が発生します。そして、デバイスの効率が高いほど、計算によって得られる損失（損耗電力）は少なくなります。

データシートによると、FED60Wは12V/60W出力時に92％の効率を示し、損失電力は以下の通りです。

モジュールの温度上昇および最大周囲温度は、次の式を用いて計算することができます：

各変数の意味は以下の通りです：
TRise：電力損失によってモジュール筐体に発生する温度上昇
Rth ：筐体から周囲環境への熱インピーダンス
PLoss：電力変換中に発生する損失電力

Rthの値はデータシートに記載されていますが、実際にはデータシートに掲載されている、各種冷却条件下でのパワーデリーティング（定格出力低減）曲線（図2および図3）を参照して、最大周囲温度を見積もる方が簡単で現実的です。

図2： FED60Wモジュールのパワーデリーティング（出力低減）カーブ（ヒートシンクなし、PCB未実装）

解説： 100 LFM（リニア・フィート・パー・ミニット）のエアフローがある場合、ヒートシンクなしのFED60Wコンバータは、周囲温度68°Cまで定格出力の100%を供給できます。周囲温度が80°Cに達すると、最大出力は67%（40W）まで低下します。出力を維持または増加させるには、さらなるエアフローの確保またはヒートシンクの追加が必要です。

図3： 異なるヒートシンク条件下でのパワーデリーティングカーブ（自然対流、PCBなし）

重要事項

熱抵抗（Thermal Resistance）は、ヒートシンクのサイズや形状、アプリケーションにおける気流の速度と方向によって変化します。DC/DCモジュールをPCBに実装すると、一部の熱がPCBに放散されます。図2および図3に示されているグラフは、PCB未実装のモジュールをベースとしています。PCBを介して熱が逃げるため、2×1インチモジュールでは、PCB実装時に熱抵抗が約25〜35%低下します。最近では、多くのメーカーが実際のアプリケーションに近いこの条件を基にデリーティング（出力低減）カーブを作成しています。熱抵抗の厳密な定義は複雑なため、実機での温度測定が推奨されます。

100 LFMの気流と0.5インチ高のヒートシンクを組み合わせた場合、本モジュールは周囲温度85°Cでもフル出力を維持できます。これは産業用途における典型的な運用条件です。 ここで本記事の主題に戻ります：この60Wソリューションの実際のサイズと電力密度はどれほどでしょうか？ 表1では、一般的な指標であるW/in³で電力密度を示しています。

表1：FED60Wとヒートシンクを含む60Wソリューションの電力密度

実際のアプリケーションでは、ヒートシンクが必須であるため、その体積も全体に含まれます。結果として、システム全体の電力密度は56%低下し、モジュールが占める割合は44%、ヒートシンクが56%となります。 たとえ小型のモジュールを採用しても、損失が同じであれば必要なヒートシンクのサイズは変わらず、全体の電力密度も変わりません。さらに、モジュールのフットプリントが小さくなると、ヒートシンクやPCBとの接触面積が減少し、熱伝導効率が下がり、結果として熱抵抗（Rth）は高くなります（図4参照）。

図4： ヒートシンクのサイズと熱伝導面積は、システム全体の電力密度に大きな影響を与える要素です。

では、同じサイズで100Wの出力が必要な場合や、50Wに抑えて電源ソリューション全体を小型化したい場合、ユーザーはどのような選択肢があるのでしょうか？ ここでP-DUKEの新製品が登場します。業界標準サイズにおいて、より高い出力を実現可能です（図5参照）。

FED100Wは、2×1インチのパッケージで100Wの出力が可能です。他社製品では60〜80Wが一般的で、100Wを実現するには67%大きなフットプリントを持つクォーターブリック（2.3×1.45インチ）を使用する必要があります。さらに、1×1インチの標準パッケージにおいて、P-DUKEの新製品LCD50Wは50Wを出力可能であり、他社製品が30〜40Wにとどまる中で優れた性能を発揮します。

図5： P-DUKEの新型コンバータは、標準サイズで最大67%の出力向上を実現します。

この性能向上を実現するための主な要素は、損失の低減、ヒートシンクおよびPCBへの熱伝導の改善、ならびにモジュール内部のホットスポットの回避です。低損失の先進的なパワー半導体および磁性材料、さらにその他の技術が組み合わさることで、スイッチング損失の低減に貢献しています。

P-DUKEの新しいFED100Wファミリーは、2×1インチの標準パッケージで最大94%の効率を達成し、12V/100W出力時の損失はわずか6.38Wです。FED60Wと同じヒートシンクとエアフロー、そして適切なPCB設計を使用すれば、この新型モジュールは従来のFED60Wの直接代替品として使用可能で、最大100Wまで出力できます。表2に示すように、ヒートシンクを含む全体の電力密度は67%向上しています。

表2： P-DUKEの新型FED100Wにより、電力密度が67%向上

この製品のもう一つの特長は、最大筐体温度が110°Cであることです。これにより、より高い周囲温度下での動作や、より小型なヒートシンク、低エアフローでの設計が可能となります。

同様の設計思想に基づき、P-DUKEはLCD50Wコンバータを開発しました。これは1×1インチのパッケージに収まる50Wモジュールで、最大92%の効率を誇ります。 他社製品では、このサイズでの出力は30〜40Wが一般的であり、効率も1〜2%低いのが現状です。 リデザインの際に出力を増やしたい場合でも、機構の変更なしで10Wの増加が可能です。逆に、電力を50Wに抑えることができる場合は、この1×1インチモジュールを使うことでフットプリントを半分に削減できます。

図6に示されているLCD50Wのデリーティングカーブによれば、3×3インチのPCBに実装し、自然対流・ヒートシンクなしの条件で、周囲温度55°Cまでフル出力が可能です。

図6： LCD50Wのデリーティングカーブ（3×3インチPCBに実装、ヒートシンクなし）

0.5インチのヒートシンクと100 LFMのエアフローを用いた本例では、周囲温度85°Cまで50W出力を維持できます。

図7では、FED100-24S15W（入力9～36V、出力15V）の効率カーブを示しています。 100%負荷（赤線）においては、入力電圧全体にわたってフラットに推移し、デリーティング評価の基準として適しています。

図7： FED100-24S15Wの効率と入力電圧の関係図（100%負荷時に安定）

EMIフィルタ設計の重要性

ソリューション全体の電力密度において、必要な内部および外部のEMIフィルタも重要な要素です。 モジュールを小型化するために内部のコンデンサや磁性部品を減らすと、逆にノイズが外部に漏れやすくなり、外付けEMIフィルタが大型化してしまいます。

より優れたアプローチは、スイッチングによって発生するノイズそのものを抑え、モジュール内部に低インピーダンスのノイズ経路を確保することで、EMI全体の性能を最適化することです。 メーカー同士を比較するには、Class AまたはClass Bに準拠したリファレンス設計を参照するのが最適です。図8には代表的なフィルタ回路および参考レイアウトが示されています。

図8： FED60Wシリーズの代表的なEMIフィルタおよび推奨レイアウト

構成部品の値やサイズは、設計内容および入力電圧によって異なります。図9に示すように、Class Aのフィルタは非常にコンパクトに抑えることができますが、Class Bに対応するフィルタのフットプリントは、コンバータ本体のおよそ40〜50%にも達する可能性があります。

保護回路

DC/DCコンバータモジュールには、過電圧保護機能が必要であり、多くのアプリケーションにおいては逆接保護も求められます。さらに、安全規格に準拠するため、入力部にはヒューズの実装が必要です。 図9は、EMIフィルタと保護回路を含むDC/DCコンバータの完全な回路構成を示しています。

図9： EMIフィルタおよび保護回路を含むDC/DCコンバータの回路全体図

これらすべての部品は基板上にスペースを必要とし、最終的にはソリューション全体の体積に大きく影響します。

まとめ

DC/DCコンバータモジュールを比較する際、「高い電力密度」は小型電源設計における重要な指標です。 しかしながら、本記事で示したように、低損失、最適化された熱設計、高信頼性、さらにEMIフィルタや保護回路に必要な部品も、電源アーキテクチャ全体のサイズにおいて重要な役割を果たしています。

P-DUKEの新しい50Wおよび100Wコンバータは、コンバータモジュール自体において業界トップクラスの電力密度を実現しただけでなく、既存設計の出力を25%以上向上させることを可能にしました。 一方で、必要電力が少ない場合には、ソリューション全体のサイズを40%以上削減することも可能です。

詳細については、LCD50W および FED100Wの情報をご確認ください。