DCDCコンバータ

前回は、DAA技術のIPCにおける活用事例について２つご紹介しました。今回は残る3つ目の環境モニタを使った補正についてご紹介します。

大電流・低電圧環境に対応する電源IC ― DCDCコンバータを進化させるIPCの取り組み②

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Case3：環境モニタを使った補正

最後は、温度や電源電圧といった外部環境に応じて補正する方式です。温度センサーなどの環境モニタから得られた値をもとに補正演算を行い、アナログ回路に反映させることで、温度や電源条件が変わっても安定した測定や制御が可能になります。

IPCにおける出力電流のセンシング

DCDCコンバータにおいて、出力電流を正しく測定することは過電流保護や効率管理のために欠かせません。IPCでは出力電流をインダクタ両端の電圧差（ΔV）を利用して測定する方法を使っています。インダクタには寄生抵抗（DCR）があり、この抵抗値を使って「 出力電流 = ΔV / DCR[Ω] 」を求める仕組みです。

ところが、このDCRには大きな問題があります。温度依存性が非常に大きいのです。およそ3900ppm/℃ という温度係数を持ち、100℃の温度変化に対して、DCRは約40％も値が増加してしまいます。そのため、ΔVだけを使った電流検出では、正確な出力電流を得ることができません。

IPCでは、この課題を解決するために 温度補正機能を組み込んだDAAを採用しています。高温障害の検出用にモニタした温度測定値を使ってDCRを演算補正しその結果を基に電流を再計算します。

DCR(補正後)=DCR(27℃)×(1+3900ppm×(測定温度−27℃))

このインダクタのDCRを用いた方式の大きな利点は、素子追加が不要 である点です。一般的にはDCRの代わりに温度変化が小さい専用の検出抵抗を追加して電流を測定する方法も考えられます。しかしながら検出抵抗で余分な電力が消費されるためDCDCコンバータの変換効率が下がり、さらに部品コストや設置面積も増加してしまいます。IPCはインダクタ自体をセンサーとして活用し、追加素子なしで高精度な測定を実現していることで精度・コスト・変換効率の点でメリットがあります。

まとめ

IPCは、DAA技術を活用することで、従来のDCDCコンバータでは難しかった負荷急変への応答性や制御精度を向上させています。さらに、製造ばらつきや温度変化への補正を柔軟に行い、高効率かつ高信頼な電源供給を実現しています。これらの技術は、AIサーバや車載機器など、厳しい電源条件が求められる用途において、電源設計の高度化に貢献するものと考えています。

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ＩＰＣは「合わせミソ」を生かした取り組み

さて今回は、IPCプロジェクトの取り組みについて紹介し、その中で活用されている デジタル・アシスト・アナログ（DAA）技術 の事例を取り上げました。

新しい発想を生み出していくために、異分野の技術を持ち寄りエンジニア同志がひざを突き合わせて議論する手法を私たちは「合わせミソ」と呼んでいるのですが、こうした経験と工夫を掛け合わせて未来の半導体開発につなげていく姿勢がこのIPCの開発では色濃く表れていると感じます。

今回ご覧いただいたアナログとデジタルの組み合わせには決まった形がなく、過去のやり方に縛られない自由な発想が可能です。だからこそ、用途や課題に応じた最適なアプローチを柔軟に選び取ることができる、そこが醍醐味だと思います。

少しでもみなさんの開発テーマの参考にしていただけたら嬉しく思います。

＜参考文献＞

◆第13回　デジタル・アシスト・アナログ技術（その1）：アナログICの基礎の基礎 – EDN Japan (itmedia.co.jp)

◆ナノCMOS時代のアナログ回路設計(gunma-u.ac.jp)

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こんにちは。前回はIPCの取り組みの概要と、そこで使われるDAA（Digitally Assisted Analog）技術についてお伝えしました。

(前回の記事）

大電流・低電圧環境に対応する電源IC ― DCDCコンバータを進化させるIPCの取り組み①

今回は、DAA技術の適用例と効果についてお伝えします。

DAA(Digitally Assisted Analog）技術の適用例と効果

IPCでは、このDAA技術を活用し、アナログ特性の補正を複数の方法で実現しています。具体的には、以下の3つのケースに分類されます：

• Case1：トリミングによる固定値補正（製造ばらつきへの対応）
• Case2：回路特性の動的制御（リアルタイム応答）
• Case3：環境モニタを使った補正（温度や電源電圧など）

それぞれの仕組みとIPCでの適用事例について、順にご紹介します。

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Case1：トリミングによる固定補正（製造ばらつきへの対応）

LSIを製造すると、素子ごとにどうしても特性のばらつきが出て、設計値から微妙に特性がずれてしまうことがあります。たとえば、基準電圧（VREF）が少し高めに出たり、オシレータの周波数が設計値とずれてしまうケースです。
IPCはこのような「製造ばらつきを補正する技術」としてトリミング補正 を採用しています。製品出荷時に個体ごとに求めた補正値（トリミング値）や顧客が指定した設定値をチップ内のメモリに保存し、起動時にその値をデジタル回路を介してアナログ回路に反映させて補正する仕組みです。これにより、基準電圧や発振周波数のバラつきを効果的に吸収できます。

基準電圧（VREF）のバラつき補正

基準電圧を生成する回路では、製造プロセスのばらつきによる出力電圧誤差がつきものです。

IPCでは、デジタル回路からトリミング補正値を設定することで内部抵抗値を調整し、分圧比を変えることでVREFの出力電圧を補正しています。これにより、安定した基準電圧を確保し、システム全体の動作精度を向上させています。

オシレータ周波数のバラつき補正

クロック生成に用いられるオシレータも、素子のばらつきよって周波数が変動することがあります。IPCでは、デジタル制御によりオシレータの動作電流を調整し、オシレータの発振周波数のばらつきを補正しています。これにより、安定したクロック供給が可能となり、タイミング精度の向上につながります。

その他の応用

IPCでは、基準電圧やオシレータに限らず、障害検出回路のコンパレータ閾値のオフセット補正などにもトリミング技術を応用しています。これにより、製造ばらつきによる検出精度の低下するリスクを抑え、信頼性の高い保護機能を実現しています。

このように、トリミング補正は製造ばらつきを安定化させるための有効な手法であり、IPCでは複数の回路ブロックに適用することで、製品の性能と信頼性を高めています。

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Case2：動作中の特性を随時補正（リアルタイム応答）

Case2では、DCDCコンバータのフィードバックループの一部にデジタル回路を取り入れ、動作中のアナログ回路の出力に対し、デジタル回路でリアルタイムに処理した結果をアナログ回路へフィードバックすることで回路特性を向上させる例を紹介します。

DCDCコンバータにおける重要な特性のひとつが、負荷過渡応答です。これは、急激な出力負荷電流の変化に対して、出力電圧をどれだけ安定して維持できるかを示す指標です。

たとえば、出力電流が15Aから30Aへと急増した場合、コンデンサやインダクタの応答が追いつかず、出力電圧が一時的に大きくドロップします。この電圧のドロップ量が大きすぎたり、回復が遅れたりすると、システムの誤動作につながる可能性があります。

非線形制御によるDCDCループ利得調整

IPCではこの負荷過渡応答の課題に対して、フィードバックループにデジタル処理を組み込み 動的にフィードバック利得を制御する非線形制御を導入しています。

具体的には、出力電圧をADCでデジタル値に変換し、デジタルフィルタで変動を解析。電圧ドロップが設定した閾値を超えた場合に、デジタルフィルタ部で一時的にフィードバック利得を引き上げることで、電圧の落ち込みを抑え、速やかな回復を実現します。

但し、フィードバック利得を常に高く設定してしまうと、小さなノイズにも敏感に反応してしまい、逆に安定性が損なわれます。そのため、従来のアナログ制御では通常時に合わせて利得を低く設定し、ノイズ耐性を確保する一方で、急変時の応答が遅れるというトレードオフが避けられませんでした。

デジタル回路を活用することでこうしたトレードオフを回避し、動作状況に応じて制御パラメータをリアルタイムで調整することで柔軟な制御が可能になります。この技術により、動作中の出力電圧の安定性を高いレベルで維持することができます。

非線形制御の効果

下左図では非線形制御の効果のイメージ図を、下右図にはシミュレーション波形を示しています。非線形制御を用いることにより、電圧ドロップの谷が浅くなり、目標電圧への回復も速くなり、通常の固定ゲイン制御では抑えられなかった電圧ドロップのピーク値を減らせるのが大きな利点です。

参考：IPCの非線形ゲイン制御の評価結果

IPCでは実際に負荷急変時の応答を評価しています。

評価条件は、出力電圧1.0V で出力電流を 15A → 30A にステップで変化させたケースです。スイッチング周波数は 500kHz、インダクタやコンデンサの値も実機を想定した条件で行いました。

結果を比較すると、非線形ゲイン制御をオンにした場合とオフにした場合で明確な違いが現れました。

• ピーク電圧の低減：電圧ドロップが約10mV抑制。
• 収束時間の短縮：目標電圧への回復時間が約15µs短縮。

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次回は、Case3：環境モニタを使った補正について、お伝えします。

大電流・低電圧環境に対応する電源IC ― DCDCコンバータを進化させるIPCの取り組み③

＜参考文献＞

◆第13回　デジタル・アシスト・アナログ技術（その1）：アナログICの基礎の基礎 – EDN Japan (itmedia.co.jp)

◆ナノCMOS時代のアナログ回路設計(gunma-u.ac.jp)

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なぜ電源IC-DCDCコンバータが注目されるのか

近年、AIサーバやデータセンターなどで使用される高性能機器では、CPUやGPUの高集積化・高性能化に伴い、低電圧・大電流で安定した電源供給が求められるケースが増えています。これらのシステムでは、演算処理の高密度化に伴い、大きな出力負荷変動が頻繁に生じる傾向があります。

このような厳しい動作環境において、安定した電圧供給を維持することは、システム全体の信頼性向上や省電力化に直結する重要な課題です。特に、電源IC（降圧型DCDCコンバータ）の性能は、こうした要求に応えるための鍵となっており、システムの安定性と効率に大きく影響する重要な要素として注目されています。

以下の図は、同期整流型の降圧型DCDCコンバータの基本動作を示したものです。
この回路では、制御ICが出力電圧をリアルタイムでモニタしながら、ハイサイド／ローサイドのスイッチを制御するためのパルス幅変調（PWM）信号を生成します。
その信号をもとに、インダクタとコンデンサ（LCローパスフィルタ）によって電圧を平滑化し、出力負荷変動がある環境でも安定した出力電圧を維持することが可能です。

IPC開発の背景と特徴

AIサーバなどでは、出力負荷電流が急激に変化する場面が多く、その際に出力電圧が一時的に低下（電圧ドロップ）することが、システムの安定性や動作信頼性に影響を与える重要な課題となっています。

降圧型DCDCコンバータでは、制御ICが出力電圧をリアルタイムでモニタして行うフィードバック制御とインダクタとコンデンサによるLCフィルタで出力電圧を平滑化します。しかし、従来のアナログ回路による制御では応答速度には限界があり、急激な負荷変動に対して十分に素早く補正することが困難でした。

こうした課題に対応するため、当社ではIPC（Intelligent Power Converter）という新しい電源制御ICを開発しました。IPCは、従来型DCDCコンバータの基本制御に加えてデジタル技術を融合することで、リアルタイムに出力電圧の変動を検出し、必要に応じてフィードバックループの利得を動的に調整することでPWM制御の応答性能を向上させます。

これにより、負荷急変時の電圧ドロップを大幅に抑制し、安定した電源供給を実現することが可能となります。

デジタル・アシスト・アナログ（DAA）技術

アナログ回路は、デジタル回路に比べて微細化の恩恵を受けにくく、製造ばらつきや温度依存性による性能変動が生じやすい領域です。従来は、こうしたばらつきを抑えるために素子の面積を大きくして特性を確保するという設計手法が一般的でした。しかし、小型化や高効率化が求められる現代のシステム設計では、チップ面積の制約や消費電力の観点から、こうした手法には限界があります。

このような課題に対応するために活用されているのが、デジタル・アシスト・アナログ（DAA: Digitally Assisted Analog）技術です。DAAは、アナログ回路の動作をデジタル処理によって補強・拡張することで、小面積でも高性能を両立させるアプローチです。

DAA技術により、従来は素子サイズや外付け部品で対応していた補正や調整を、チップ内のデジタル制御で柔軟かつ高精度に実現できるようになり、設計の自由度や製品の競争力向上に貢献します。

次回は、DAA技術の適用例と効果について、事例を交え詳しくお伝えします。

大電流・低電圧環境に対応する電源IC ― DCDCコンバータを進化させるIPCの取り組み②

＜参考文献＞

◆第13回　デジタル・アシスト・アナログ技術（その1）：アナログICの基礎の基礎 – EDN Japan (itmedia.co.jp)

◆ナノCMOS時代のアナログ回路設計(gunma-u.ac.jp)

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