最新モノリシック電源IC その回路とパッケージ

スイッチング電源ICの基板実装技術

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進化するモノリシック電源IC

モノリシック電源ICは，スイッチング素子や制御回路を1つのシリコン・チップに統合した技術です．この設計により，外付け部品が減少し，基板面積を大幅に削減できます．初期の製品ではNPNバイポーラ・トランジスタが主流でしたが，現在はMOSFETを採用した同期整流方式が主流となっています．

同期整流方式では，スイッチング素子を2つ使用することで効率を向上させることが可能です．最新の製品では効率が95%に達し，損失も従来の約1/3まで低減されています．

パッケージ技術と回路性能

最新のモノリシック電源ICではフリップチップ構造が採用され，高周波特性や放熱性能が向上しています．この構造では，ICチップ上に形成された銅柱（カッパ・ピラー）が基板に直接接続されます．これにより寄生インダクタンスが低減され，EMI対策にも有効です．

スイッチング周波数は10年前と比較して5倍に向上し，2MHz駆動でもノイズを抑えるゲート駆動技術が導入されています．これにより，AMラジオ帯域外での動作が可能となり，高周波環境下でも安定した性能を発揮します．

基板設計で考慮すべき要素

モノリシック電源ICを基板に実装する際には以下の要素を考慮する必要があります:

1. 入力キャパシタをIC近くに配置してホット・ループを最小化する
2. 放熱対策として十分な銅箔面積を確保する
3. 多層基板設計でグラウンド層を適切に配置する

温度サイクルへの対応

フリップチップ構造は温度サイクルによる機械的ストレスに敏感です．この問題への対策として，膨張係数差が小さい基板材料（FR5など）やはんだ接合部のフィレット形成が推奨されます．また，シミュレータを活用して耐久性を事前評価することも重要です．

同期整流方式とは

同期整流方式は，スイッチング素子としてMOSFETを使用し，高効率化を実現する技術です．従来の非同期整流方式ではダイオードによる電圧ドロップが生じていましたが，MOSFET化によってこの損失が解消されました．

MOSFET化の利点

MOSFET化には以下の利点があります：

1. 電圧ドロップの低減による効率向上
2. 高速スイッチングによる高周波駆動への対応
3. 寄生インダクタンス低減によるEMI対策効果

〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2003年　パデュー大学大学院を卒業
• 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
• 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．