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Figure 1

   

要約

電力変換アプリケーションの多くは、広い入出力電圧範囲に対応する必要があります。アナログ・デバイセズは、そのようなアプリケーションに対応できる製品として、4つのスイッチを使用する昇降圧レギュレータ（以下、4スイッチ昇降圧レギュレータ）を提供しています。なかでも、「LTM4712」を使用すれば、大電流に対応しつつ、非常に高い効率を実現できます。LTM4712は、完全統合型のμModule®レギュレータとして実現されています。高度な3Dパッケージに、コントローラ、パワーMOSFET、パワー・インダクタ、コンデンサが収容されています。これを採用すれば、コンパクトな設計と堅牢な性能を実現できます。このレギュレータは、広い入出力電圧範囲にわたって、高い電力密度、卓越した効率、優れた熱性能を発揮します。本稿では、同製品の汎用性に注目し、様々なトポロジで利用可能であることを示します。実際、同製品を使用すれば、降圧（ステップダウン）、昇圧（ステップアップ）に加え、負の電圧を必要とするアプリケーション向けの反転昇降圧の構成も実現できます。

4スイッチ昇降圧レギュレータを降圧用途で使用する 

アナログ・デバイセズは、40Vに近い入力電圧と4Aを超える最大負荷電流に対応可能な降圧μModuleレギュレータ製品を複数発表しています。図1は、それらの製品についてまとめたものです。これらのレギュレータは、電圧と電流の範囲に制限があるとも言えます。それに対し、新たにリリースされた4スイッチ昇降圧レギュレータであるLTM4712を降圧μModuleレギュレータとして使用すれば、他の製品と比べて動作範囲を大幅に拡大し、システム設計を簡素化することができます。

4スイッチ昇降圧レギュレータであるLTM4712は、特別な調整を行うことなく降圧レギュレータとして簡単に構成することができます。V_IN > V_OUTである場合、同ICのコントローラはパワーMOSFETであるM3を常にオフにし、同M4を常にオンにします（図2）。一方、パワーMOSFETであるM1とM2は、標準的な降圧レギュレータと同様に動作して出力をレギュレートします。この場合、LTM4712は、M4によって伝導損失が増加するのにもかかわらず、降圧μModuleレギュレータ「LTM4613」よりも優れた電力効率を達成します（図3）。これは、パワーMOSFETとインダクタに関する技術の進化によって実現されています。 

表1は、強制空冷を使用しない場合の熱性能を比較したものです。これを見れば、LTM4712の効率の優位性は明らかです。降圧レギュレータのLTM4613よりはるかに多くの電力を供給しても、LTM4712（フットプリントは同程度）はより低い温度で動作します。

表1. 降圧モードにおける熱性能の比較（TA = 25℃、強制空冷なし）

動作条件	パラメータ	LTM4712	LTM4613
12 VIN/5 VOUT
	最大 IOUT	12 A	8 A
	IMAX  時の効率	94.7%	93%
	IMAX 時の温度	58°C	70°C
36 VIN/12 VOUT
	最大 IOUT	12 A	6 A
	IMAX 時の効率	96.2%	93%
	IMAX 時の温度	80°C	101°C

4スイッチ昇降圧レギュレータを昇圧用途で使用する

アナログ・デバイセズは、40Vのレベルの出力に対応する昇圧μModuleレギュレータも提供しています。ただ、その種の製品は図4に示すように1つだけです。その「LTM4656」は4Aの最大出力電流に対応します。それに対し、4スイッチ昇降圧レギュレータのLTM4712を昇圧レギュレータとして使用すれば、より多くの負荷電流に対応できます。

LTM4712をV_IN < V_OUTのアプリケーションで使用する場合、M1は常にオンになり、M2は常にオフになります（図5）。M3とM4は、一般的な昇圧レギュレータと同じように動作して出力を自然にレギュレートします。出力短絡保護の機能を備えていない標準的な昇圧レギュレータとは異なり、この4スイッチ昇降圧レギュレータは同機能を潜在的に備えています。具体的には、出力がグラウンドに短絡すると、M1とM2が降圧レギュレータとしてのスイッチング動作を開始し、入力から出力に流れる電流を制限します。短絡電流の最大値は、入力パスまたは出力パスに配置された抵抗R_SENSEに流れる電流、またはインダクタのピーク電流のうち少ない方によって制限されます。従来の昇圧レギュレータの場合、起動時にV_INが急速に上昇すると、制御されていない大きな突入電流が昇圧ダイオードに流れてコンデンサC_OUTが充電されます。それに対し、4スイッチ昇降圧レギュレータは、V_OUTが低い場合には必ず降圧モードで起動します。そのため、入力突入電流は、インダクタの電流をソフト・スタートすることで厳密に制御／制限されます。つまり、4スイッチ昇降圧レギュレータを採用すれば、従来の昇圧レギュレータを使用する場合よりも信頼性の高い昇圧機能が得られることになります。

図6は、4スイッチ昇降圧レギュレータであるLTM4712と昇圧レギュレータであるLTM4656の効率と出力電流を比較したものです。また、表2では両レギュレータの熱性能を比較しました。これらを見れば、LTM4712を使用することで、より優れた効率、広範な出力電流、非常に優れた熱性能が得られることがわかります。なお、どちらもフットプリントは16mm×16mmです。

表2. 昇圧モードにおける熱性能の比較（TA = 25℃、強制空冷なし）

動作条件	パラメータ	LTM4712	LTM4656
12 VIN/24 VOUT
	最大 IOUT	6 A	4 A
	IMAX 時の効率	96.9%	95.7%
	IMAX 時の温度	69°C	81°C
12 VIN/36 VOUT
	最大 IOUT	4 A	2.5 A
	IMAX 時の効率	96.1%	94.8%
	IMAX 時の温度	84°C	89°C

4スイッチ昇降圧レギュレータを負の電圧が必要な反転昇降圧用途で使用する 

標準的な降圧レギュレータを使用すれば、負の電圧を生成するように構成することができます。それと同様に、4スイッチ昇降圧レギュレータも、負の電圧が必要な用途に向けて反転昇降圧の機能を提供するように構成することが可能です。その場合、M1とM2の状態は相補的に切り替わります（図7）。一方、M3はオフの状態、M4はオンの状態で維持されます。この場合、最大電圧V_MAX = ¦V_IN¦ + ¦V_OUT¦が、LTM4712の最大定格電圧である40Vを超えないよう注意しなければなりません。インダクタを流れるDC電流I_Lは、I_L = I_OUT/(1 - D)で決まります。ここで、DはM1とM2の相レグのデューティ・サイクルです。なお、ここではM1を1次スイッチとして扱います。

図8に示したのは、LTM4712を反転用途で使用する場合の回路例です。この回路は、24Vの入力電圧を基に-12Vの出力が得られるように設計されています。また、最大10Aの負荷電流を供給することが可能です。図9に、この回路の効率の実測結果を示しました。

反転昇降圧レギュレータを起動する際には出力電圧が0Vよりわずかに高くなることがあります。4スイッチ昇降圧レギュレータを反転モードで動作させる場合にもこれと同じ現象が生じます。 

図10は、4スイッチ昇降圧レギュレータを反転モード用に構成した場合に出力電圧が起動時に反転するメカニズムについて示したものです。入力電圧が印加された際には、4つのMOSFETがスイッチング動作を開始する前に、入力電流が2つの経路を通じて出力コンデンサを逆向きに充電し始めます。2つの経路のうち1つは、M1とM2の両端に配置されたデカップリング・コンデンサC_INを介する経路です。もう1つは、C_INTVCCの経路です。C_INまたはC_INTVCCがC_OUTよりもはるかに大きい場合、反転した出力電圧が高くなる可能性があります。 

ただ、μModuleレギュレータの内部にはクランプ回路が潜在的に形成されています（図11）。図中のV_SD3とV_SD4は、それぞれM3とM4のソース‐ドレイン間電圧を表しています。-V_OUT >V_SD3 + V_SD4である場合、M3とM4のボディ・ダイオードが導通して充電電流を引き継ぎます。これら2つのボディ・ダイオードが潜在的なクランプ回路として機能するということです。また、最大反転出力電圧はV_SD3 + V_SD4になります。 

図12に示したのは、起動時における反転出力電圧の実測結果です。図12（c）では、C_OUT（330μF）に比べてC_IN（50μF）は小さく、反転出力である-V_OUTは約0.75Vになっています。C_INの値を350μFに変更すると、図12（b）に示すように、反転出力である-V_OUTは1.5Vになります。 

C_INとC_OUTの比を調整すれば、正の出力電圧を最小限に抑えることができます。例えば、その比を小さくすると、内部のクランプ電圧（V_SD3 + V_SD4）に達する前の正の出力電圧が低下します。また、図8に示すように、クランプ用に順方向電圧の小さいショットキー・ダイオードを出力に外付けすれば、正の電圧を所望のレベルに制限することも可能です。

まとめ

4スイッチ昇降圧レギュレータは、特別な設定を行うことなく降圧レギュレータとしても昇圧レギュレータとしても使用できます。新たにリリースされた4スイッチ昇降圧レギュレータ（μModuleレギュレータ）であるLTM4712は、既存の降圧μModuleレギュレータや昇圧μModuleレギュレータと比べて、効率、熱性能、出力電流能力が優れています。このことは、実測によって確認されています。また、LTM4712は、負の出力が必要なアプリケーション向けに、反転昇降圧レギュレータとして簡単に構成することができます。これについても、高い効率が得られることが実測によって確認されています。本稿では、その場合に出力電圧が瞬間的に反転する現象のメカニズムについても解説しました。その上で、それに対処するための設計上のガイドラインと解決策を示しました。 

LTM4712の実装に関する包括的なガイダンスとしては、同製品のデータシートと評価用キットの設計情報が役に立ちます。また、設計ツール「LTpowerCAD^®」とシミュレーション・ツール「LTspice^®」もLTM4712をサポートしています。これらのリソースを活用すれば、多様なアプリケーションで性能を最適化するために不可欠な貴重な知見を得ることができます。

参考資料

Ling Jiang、Wesley Ballar、Anjan Panigrahy、Henry Zhang「μModule Regulator Achieves Highest Power Efficiency（μModuleレギュレータが最高の電力効率を達成）」Electronic Products、2024年10月

※初出典　2025年 TECH+（マイナビニュース）

著者について

Ling Jiang

Ling Jiangは、アナログ・デバイセズのプロダクト・アプリケーション担当シニア・マネージャです。カリフォルニア州のベイエリアを拠点とするパワー製品グループに所属。マルチマーケット・アプリケーションを対象としてμModule^®製品を担当しています。2018年にテネシー大学ノックスビル校で電気工学の博士号を取得しました。

Wesley Ballar

Wesley Ballarは、アナログ・デバイセズのプロダクト・アプリケーション担当シニア・エンジニアです。マルチマーケット・アプリケーション・グループで、μModule^®製品のサポートを担当。2016年に入社して以来、μModuleのチームを様々な側面からサポートしてきました。2015年にカリフォルニア・ポリテクニック州立大学で電気工学の学士号を取得しています。

Anjan Panigrahy

Anjan Panigrahyは、アナログ・デバイセズのプロダクト・アプリケーション・エンジニアです。マルチマーケット・アプリケーション・グループでμModule^®レギュレータのサポートを担当しています。テキサス大学オースティン校でパワー・エレクトロニクスを専攻。2023年に電気工学とコンピュータ工学の学位を取得しました。

Henry Zhang

Henry Zhangは、アナログ・デバイセズのフェローです。2001年にLinear Technology（現在はアナログ・デバイセズに統合）に入社しました。1994年に中国の浙江大学で電気工学の学士号、1998年と2001年にバージニア工科大学（バージニア州ブラックスバーグ）で電気工学の修士号と博士号をそれぞれ取得しています。