マキシムが提案する産業用途電源ICのニュースタンダード

産業界の動向：産業機器にも小型化と省電力化の波、高まる安全性要求

産業機器用電源のニュースタンダード：スイッチングトランジスタ内蔵の高耐圧同期整流式降圧コンバータ

60V高耐圧でありながら高効率、省スペースな同期整流式降圧コンバータ：MAX17503

まとめ

（取材：高橋和渡/f プロジェクト・コンサルティング）

従来の産業機器のイメージとして、まず最初に浮かぶのは温度、振動、ノイズといった厳しい環境での使用であろう。そのため、これらに耐えうる堅牢さが最優先事項とされ、サイズや電力効率などには多少の寛容さがあったはずである。しかしながら、昨今の産業機器においては、他の電子機器と同様に、小型化と省電力化の波が押し寄せている。	モジュール型ラックPLC	モジュール型マイクロPLC
代表的な産業機器の一つであるPLC（プログラマブルロジックコントローラ）を例にとると、従来からのスタンドアローン型の大き目なPLCから、モジュール型ラック形式のPLCが増えている。可能な限りコンパクトで場所を取らない筐体に、可能な限りのコントローラを搭載する。この場合、まずはコントローラ自体の小型化、モジュール化が必要になり、回路基板は高密度になり、タイトなフォームファクタが要求される。
また、多数のモジュールを狭いスペースに詰め込むことにより、システム全体の消費電力が上がるので、個々のコントローラの消費電力を低く抑えることが必須となる。さらには、筐体内は高密度で空間が少ないため空気の流れが悪くなり、熱がこもる傾向がある。しかし、スペースの関係で単純にファンを大きくすることができず、搭載モジュール自体の発熱を抑える必要が出てくる。つまり、電源やパワーデバイスには高効率化が要求される。これらは、サーバや通信基地局などと同様の課題である。		スタンドアロンブリックPLC

要求事項	課　題
モジュール型ラックなど、スペースに制限がある筐体や設置場所に、より多くのコントローラを搭載したい（スペース効率を上げたい）	・機器の小型化、モジュール化・消費電力を低減・高密度搭載にて冷却が低下するので発熱を抑える
新興国の需要が増加しており、重要な成長市場となっている	・低コスト化：小型化（マイクロPLCなど）、モジュール化
電源関連IEC61131-2、IEC60664-1、過電圧カテゴリII、SELV/PELVなどへの準拠、対応	・規格に準じた仕様、保護を備えた設計と部品選択・24Vフィールド電源などからの過渡電圧

PLCの電源については、IEC61131-2規格に基づき、24V DCバスからCPU、I/Oモジュール、通信モジュールなどに給電し、セーフティ関連では、冗長電源、バッテリバックアップ、IEC61508およびSIL3、24/48/125V DC電圧などが備わる。

IEC60664-1 過電圧カテゴリIIでは60V DCの最大過渡電圧を想定し、SELV/PELV回路では、30Vrms（42.4Vpeak）および60V DCを許容しなければならない。さらに、外部フィールド電源の24Vが接続される場合には配線が長くなることが多く、予想外の誘導性の電圧サージが発生することがあり、これらを許容する、または保護を設ける必要がある。

表にまとめた通り、昨今のPLCの例では従来からの屈強さに加え、1）小型、2）低消費電力、3）低発熱（高効率）、4）規格に準じた高電圧過渡耐性、が求められており、これはPLCのみならずモータ制御や他の産業機器でも同様であると考えられる。

MaximのMAX17503は、60V耐圧、2.5A出力の同期整流式の降圧DC/DCコンバータICである。基本構成は、一般的な同期整流式コンバートであるが、産業用途を意図した特徴をもつ。

MAX17503の評価ボード
ダイオード整流に比べ実装面積は半分
基板中央がMAX17503（4×4mm）

PFMモード、5V出力時の効率
低負荷時にも高効率を維持

PWMモード、5V出力時の効率
固定周波数動作によりノイズ処理が容易

第一には、前述の電源に対する許容電圧などに適合するために60Vの耐圧が与えられていることだ。単純な24Vバスからの降圧であれば、40V耐圧のものでも対応可能だが、過電圧カテゴリIIやSELV/PELV回路に対応するには60V耐圧は必須である。60V耐圧で2.5A出力（ピークスイッチ電流は4A以上）の能力をもったスイッチングトランジスタを内蔵した同期整流式降圧コンバータは、市場にはほとんどないはずで、このアドバンテージは大きい。

第二は、徹底した集積化が行われ、外付け部品はインダクタ1個の他は抵抗2本とコンデンサが5個で済む点である。同期整流にしたことで、ダイオード整流式では必要なショットキダイオードは不要となっている。また、2個の同期スイッチ（NchパワーMOSFET)は内蔵され、ハイサイドMOSFET用のブートスラップもコンデンサ1個だけある。位相補償回路も内蔵されており、部品削減だけではなく設計も簡便になる。これにより、実装面積はダイオード整流式コンバータの半分にすることが可能である。

最後に、効率が93%と非常に高いことがあげられる。一般に高耐圧仕様のものは、性能面で何らかの妥協を強いられる場合が多い。MAX17503は60Vの高耐圧でありながら、同期整流でもトップクラスの高効率を達成している。これは、上述の低消費電力化と発熱の低減に大きく貢献する。また、動作モードをPFMにすることで、低負荷および待機時も高効率を維持することができる。

特　徴	メリット
・同期整流・ハイ&ローサイドMOSFETを内蔵・位相補償部品内蔵（外部補償不要）・20ピンTQFN（4mm×4mm）	> ショットキダイオード不要 > 外付け部品が少なくコストも削減 > 実装面積を従来の50%に削減可能
・高耐圧/広入力範囲：4.5V～60V ・出力電流：2.5A	> 高耐圧ダイオード整流電源を代替するに十分な耐圧 > 規格対応や必要な許容電圧に余裕で適合可能 > 多くの機器をカバーする程良い出力電力（十数W）
・同期整流PWM/PFM/DCM動作・モードは選択式 * DCM：不連続モード	> 最大効率93％ > 発熱を軽減 > 軽負荷時/待機時にも高効率を維持 > PWM、DCMモードでは固定周波数にてノイズの　対処が容易
・SW周波数外部同期：200kHz～2MHz	> サイズと効率の最適化が可能 > 悪影響がでる周波数帯を避ける
・動作温度範囲：-40℃～125℃（Tj）	> 高温下で動作可能 > 高信頼性

ここでは、産業用としての特徴をピックアップしたが、他にも各種保護機能など最新の同期整流コンバータとして様々な機能を備えている。詳細な定格や仕様も含めて、ぜひMAX17503のデータシートを一読いただきたい。また、サンプルや評価キットが用意されているので、すぐに評価に入ることができる。（「アプリケーションと関連資料」の項のリンク参照）

Maxim Integratedは、産業用プロセス制御などの産業機器に向けた新しい電源ICを発売した。

MAX17503　耐圧60V、効率93%、Iout=2.5A
同期整流式降圧コンバータ

　（クリックで拡大）

今日の産業機器は、世界的な環境およびエネルギー問題への対処、新興国の急速な需要拡大といった、従来の堅牢という特徴に加えて、省電力、省スペースであることが強く求められている。

Maximの「MAX17503」は、こういった産業機器に求められる堅牢さを備え、新たな課題をクリアするための「高耐圧同期整流式降圧コンバータ」である。特に産業機器用の電源として標準的な「ダイオード整流式の降圧コンバータ」を置き換える目的で開発されている。

この「産業用途新標準」を称するDC/DCコンバータについて、最近の産業機器市場の要求事項に照らし合わせて、その性能や特徴を検証する。

産業機器用の電源は、堅牢なだけでは不十分であることは、上述の産業界の要求のレビューから明白である。産業機器は、耐用年数が長く開発サイクルも決して速くはないという特性をもつが、すでに状況は変わりかけている。保守性が強い業界でもあるが、すでに世界標準はかなりのスピードで変化していることを認識して、設計者は刷新を求めていく必要があるだろう。

今回検証したMaximのMAX17503は、この状況に対して堅牢さを備えつつ、省スペースと省電力要求を満たす電源ICであるといえる。また、こういった状況をいち早く察知し、市場要求に対応する電源ICを投入することができるのは、産業機器市場を熟知しつつ新しいムーブメントに対応する技術と開発力がある証であるといえるだろう。

Maximによると、MAX17503のファミリ化が進められており、お客様が最適な選択ができるように、ラインアップを拡充していくとのこと。この取材の直後に、MAX17503（2.5A）の出力電流が3.5Aに増強された「MAX17504」がリリースされており、今後の動向を注視していきたい。