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V・ⅠChip アプリケーションノート Vol.1
V･Ⅰ Chip アプリケーションノート Vol.1 V•I Chips Small, cost effective, and high performance power system solutions. Contents: 目次 AN : 001 Configuring the Vicor BCM with low power ni-POLs BCM と小電力 niPOL の構成 AN:002 PRM and VTM Parallel Operation PRM/VTM ペア 2 つの並列運転 AN:003 Powering Multiple VTMs with a Single PRM 1 つの PRM から複数の VTM への給電 AN:005 FPA Printed Circuit Board Layout Guidelines FPA プリント基板レイアウトのガイドライン AN:006 A Filter Solution for the BCM BCM 用入力フィルタ AN:007 Using VTMs as 26 – 55 V Input Bus Converters VTM を 26 ∼ 55V 入力のバスコンバータとして使用 AN:008 V ･ I Chip Bus Converter Module (BCM) Thermal Management BCM の放熱設計 AN:009 V ･ I Chip Soldering Recommendations V ･ I Chip 半田付け推奨条件 Application Note AN:001 Configuring the Vicor BCM with low power ni-POLs BCMと小電力niPOLの構成 By Johnny Yuen, David Berry, Patrick Kowalyk, Gabe Pietromonaco, Tom Curatolo Applications Engineering Group 目次 はじめに Page はじめに このアプリケーションノートでは、非絶縁型の POL コンバータ（niPOL）にバス電圧を供給する中間バ スコンバータ（IBC）として Vicor のバスコンバータモジュール（BCM）を使用するための基本的な設計 1 方法を説明しています。ここでは、00W 以下の電源システムについて扱います。さらに大電力の電 BCMと小電力niPOL の構成について 2 さいごに 5 源システムについては、BCM を複数個使用することによって構成することができます。 最初に、分散型電源システム（DPA）と中間バス電源システム（IBA）との相違点について見てみましょ う。 Fig.1 は、DC-DC コンバータに 8V バスを給電する典型的な分散型電源アーキテクチャを示していま す。アプリケーションによっては、 この分散型システムはいくらかの難点を持っているかもしれません。 例えば、複数の絶縁型 DC-DC コンバータは重複した絶縁機能をそれぞれが持ち、プリント基板上の 貴重な面積をそれぞれ占拠しています。niPOL を使用する場合は、8V から 5V 以下に変換する niPOL の一般的な効率は 70% 程度しかありません。 Fig. は、中間バスアーキテクチャ（IBA）を示しており、ここでは 8V バスを Vicor の 8V/1V（K ＝ 1/）BCM に給電しています。この K ＝ 1/ は、BCM の一定の電圧変換比率を意味しています。この IBA の手法は、Fig.1 に示されたように 8V バスを使用するときにいくらかの利点がありますが、この 利点はアプリケーションに左右されます。 Figure1 分散型電源システム（DPA） 48 V LOAD 1 48 V Isolated DC-DC Converter +3.3 V 48 V Isolated DC-DC Converter +5 V 48 V Isolated DC-DC Converter +12 V 48 V Isolated DC-DC Converter 1.2 V LOAD 2 BAC KPLANE 48 V LOAD 3 LOAD 4 LOAD 5 Figure2 中間バス電源システム（IBA） 48 V LOAD 1 +In BAC KPL ANE 48 V 48 V -Out TM RSV PC niPOL +Out BCM +3.3 V +Out -In -Out niPOL +5 V Unregulated +12 V niPOL vicorpower.jp LOAD 2 12 V 1.2 V LOAD 3 LOAD 4 LOAD 5 アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:001 of 5 Application Note AN:001 IBA の中での niPOL は、低電圧で絶縁された電力を供給するために、高い比率で電圧変換を行う絶縁 型バスコンバータによって給電されます。通常の場合、 niPOL の使用はコスト面でメリットがあります。 8V/1V（K ＝ 1/）BCM は、電源の入り口の基板上に配置でき、負荷点における基板スペースを開 放すると同時にバックプレーンの高電圧 8V から負荷点を安全に絶縁します。 システムの設計者は、1 つの BCM が給電できる niPOL の数を決定するときに、BCM の入力電圧の下 限と、niPOL の入力電流が入力電圧に反比例して増加することについて考慮する必要があります。こ の事前の配慮は、低入力電圧条件、もしくは起動時において、BCM が過電流制限機能が動作状態にな らないことを保証するために必要です。 BCM と小電力 niPOL の構成について ・ 「電圧変換」 ・ 「レギュレーション（出力電圧の一定化） 」の IBA は、DC-DC コンバータの機能−「絶縁」 つの機能を分割し、それらを つのデバイスに割り当てます。Fig. において、BCM は「電圧変換」 と「絶縁」を提供し、そして niPOL コンバータは精度の良い「レギュレーション」を提供します。BCM の非常に高い変換効率と、niPOL に必要とされる降圧比率が小さくなることによって、電源システム の効率は高くなります。BCM の効率は、出力電圧を一定化せずに一定の電圧変換を行うだけなので、 95% を超えています。IBA システムは、絶縁型ブリックコンバータを使用する DPA に比べて、個々 のコンバータに含まれていた重複した絶縁機能を除去したため、使用するボードスペースは比較的少 なくなります。 Figure3 BCM の入力電圧 8 ∼ 55Vdc に 対応する出力電圧は 9.5 ∼ 1.7Vdc +In Vo = 9.5 - 13.7 V +Out -Out 48 Vin (38 - 55 Vdc) TM RSV PC BCM +Out -In -Out niPOL 1 niPOL 2 niPOL 3 LOAD 1 LOAD 2 LOAD 3 強制空冷の条件下で、実装面積が非常に小さな直立実装タイプの niPOL を使用することにより、高密 度に実装することも可能です。niPOL は負荷に密接して配置できるので、高速なトランジェント負荷 応答は niPOL コンバータによって効果的に行われます。同時にこれは、同じボード上の他の回路にノ イズが伝達される可能性を減少させます。 niPOL コンバータから給電される負荷を分割するときに、負荷デバイス、もしくは各回路部分に対して、 起動シーケンスを設ける等の適切な配慮が必要になるかもしれません。プリント基板については複数 の電圧がボード全体を横切る必要がないので、基板の層数はそれほど多くは必要ないでしょう。給電 する電力を拡張したい場合、BCM は元々、内部の出力抵抗分による負荷分担機能を持っているので、 追加の制御回路や相互接続なしに並列運転が可能です。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:001 of 5 Application Note AN:001 BCM は、サイン・アンプリチュード・コンバージョン（SAC）と呼ばれる新しい電力変換技術を使用 しています。SAC は、高効率、高速なトランジェント応答と共に、一般的なクォータ・ブリックの電 力密度 168W/in をはるかに上回る非常に高い電力密度 1095W/in を実現する能力を提供します。 BCM の詳細については、Vicor ウェブサイト（http://www.vicorpower.jp/）で利用可能なデータシー トをご参照下さい。 左側は一般的な クォータ・ブリック、 右側は Vicor の BCM 高速なトランジェント応答によって、負荷点に必要とされるバイパスコンデンサは小さくなります。 BCM の伝導機構は、一定の比率で双方向に電圧を伝達できることから、独特なキャパシタンス乗算機 能を提供します。コンデンサに蓄積されるエネルギーは 1/CV なので、BCM の入力コンデンサは、 BCM の電圧変換比率の二乗倍の入力容量に相当する出力コンデンサと等価なエネルギー蓄積効果を 持っています。例えば、K=1/BCM を使用する場合では、使用する入力コンデンサ容量の 16 倍（＝ ）の等価容量が出力コンデンサとして追加されたことになります。これは、BCM の出力側に加える べきコンデンサが非常に小さくてすむことを意味します。同様に、これは SAC テクノロジーにおいて、 入力および出力ノイズが小さく、その結果、必要なフィルタが小型で済むことによって補足されます。 BCM のキャパシタンス増倍能力とダイナミック応答の効果を確認するために、異なるメーカーのいく つかの niPOL を、それらの推奨するコンデンサ容量と、BCM 入力容量による等価容量についてそれ ぞれのパフォーマンスを比較しました。Fig.6 ∼ 9 はその結果です。Fig.、Fig.5 は、試験回路の構成 です。 Figure4 試験回路 1 Test Board niPOL の入力に推奨、 コンデンサ 68 μ F を使用 Test Board Input C 12 Vdc Lab supply Input C 12 Vdc Lab supply niPOL niPOL Load and Scope Load and Scope Test Board Figure5 試験回路 7 μ F を入力に配置した BCM を使用 Test Board 48 Vdc Lab supply Lab supply 12 Vdc 48 Vdc BCM 47 µF 12 Vdc BCM niPOL 47 µF niPOL Load and Scope Load and Scope ここで示すのは、niPOL（S151-100-BB, C&D/Celestica Technologies）を使用したときの出力 リップルとトランジェント応答の波形です。負荷ステップは、定格電流の 10% から 90%（1.5A から 1.5A）で、変化率は 0.5A/ μ sec の割合です。出力リップルの測定は、全負荷条件（15A）において、 出力コンデンサ 0 μ F を使用して行っています。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:001 of 5 Application Note AN:001 これらの波形から観測されるように、双方のシステムの出力リップルとトランジェント応答はほぼ同 じです。これは、この niPOL についてメーカー推奨の入力容量が、パフォーマンスの劣化なしに、 BCM の非常に小さな入力容量と交換され得ることを論証しています。なお、プリント基板の端面から niPOL までのパターンのインピーダンスが更に大きい場合、niPOL の入力コンデンサをさらに増加す ることが必要になる事があります。また、BCM のキャパシタンス乗算機能に関して、今回テストした 入力容量 7 μ F は、K=1/ の場合、出力容量 75 μ F に相当します。 個々のアプリケーションによって、プリント基板端面から niPOL までのパターンのインピーダンスは 異なりますので、niPOL に必要とされる入力コンデンサについてはそれぞれのメーカーに確認すると ともに、評価試験が必要になる事があります。その際、BCM の入力コンデンサが niPOL の入力側に 有効に反映されます。 Figure6 試験回路 1 のトランジェント応答 波形（上） niPOL 出力 波形（下） 負荷電流 Figure7 試験回路 のトランジェット応答 波形（上） niPOL 出力 波形（下） 負荷電流 Figure8 試験回路 1 の出力リップル電圧 NiPOL 出力コンデンサ 0 μ F Figure9 試験回路 の出力リップル電圧 NiPOL 出力コンデンサ 0 μ F vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:001 of 5 Application Note AN:001 さいごに Vicor の BCM と既製の niPOL コンバータを組み込む中間バスアーキテクチャ（IBA）は、効率的であり 費用対効果に優れた電源システムです。Vicor の BCM の高いスイッチング周波数、高速なトランジェ ント応答は、システムの設計者がキャパシタンス乗算機能を利用することを可能にします。BCM の入 力に置かれたあらゆるコンデンサは、∼ 800kHz の帯域まで、BCM の出力において、その入力コン デンサ容量に K を掛けた値と同じく効果的でしょう。アプリケーションによっては、BCM の出力側 に反映される入力コンデンサと、niPOL に追加した入力コンデンサの つの組合せが、メーカーの推 奨する入力コンデンサ容量を構成することが最適かもしれません。 BCM の出力コンデンサは、そのデータシートに規定されている最大容量を超えないことをご確認下さ い。 当然ながら、ダイナミック負荷におけるあらゆる電源システムの設計と同様に、レイアウト、および、 プリント基板のパターンのインピーダンスについて配慮が必要です。BCM の出力と niPOL の入力の 間に存在するあらゆる基板パターンのインダクタンスは、動的なパフォーマンスに影響を及ぼすでしょ う。負荷電流の変化に迅速に対応できるように、BCM への入力インピーダンスを可能な限り低く保つ ことは重要です。 下記は、同様の試験回路を使用してテストを行った他の niPOL のリストです。テスト結果については、 Vicor アプリケーションエンジニアリング部にお問い合わせ下さい。 メーカー 製品名 実装形態 出力電圧・電流 National LM676-Adj Thru / surface discrete 1.-7 @ A max National Thru / surface discrete 1.-7 @ 5 A max Thru hole . @ 15 A C&D LM678-Adj S151-10BB LSM-1.8/10-D1 Surface 1.8 @ 10 A C&D LSN-1.8/10-D1 Thru hole 1.8 @ 10 A C&D NEF-0100181BO Thru hole 1.8 @ 10 A Artesyn PTH1010WAS Surface 1.-5 @ 1 A Tyco NXA05ADJ Thru hole 0.8-5 @ 5 A TI PTH1010 Thru hole 1.-5.5 @ 1 A TI PTH1050 Thru hole 1.-5.5 @ 6 A TI PTH1060 Thru hole 1.-5.5 @ 10 A C&D vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:001 of 5 Application Note AN:002 PRM and VTM Parallel Operation PRM / VTMペア2つの並列運転 By Jeff Ham Principal Product Line Engineer, PRM / Brick / Configurables 目次 Page はじめに このアプリケーションノートでは、PRM-AL と VTM とのペアを 2 つ並列に使用して、マスター / スレー はじめに 1 接続方法 1 注意事項 2 ブ構成によって電力分担を行う方法について説明します。 接続方法 電力を増大するために PRM-AL と VTM のペアを 2 つ配置し、電流分担を達成することは、比較的容易 です。まず、PRM のデータシートに詳述される必要な設定、および、PRM/VTM の相互接続を行った 一般的な電源の 並列接続について 2 V･I Chipの並列構成 3 PCBレイアウト 3 評価ボード 3 テストデータ 4 5．2 つの PRM の PR 端子を共に接続する さいごに 4 6．2 つの PRM の PC 端子を共に接続する 上で、さらに下記のステップに従って接続を追加します。Fig. に概略を示します。 ．2 つの PRM の＋ Input 端子を共に接続する 2．2 つの PRM の− Input 端子を共に接続する ．2 つの PRM の＋ Output 端子を共に接続する 4．2 つの PRM の− Output 端子を共に接続する 7． つの PRM の SC 端子を SG 端子に接続する（その PRM はスレーブ動作となります） L1 Figure1 相互接続図 VC PC TM IL NC PR PRM-AL +In Vin VH SC SG OS NC CD Ros Rcd +Out L2 C1 –In +Out +In TM VC PC VTM +Out -In –Out L O A D -Out -Out L3 VC PC TM IL NC PR PRM-AL +In VH SC SG OS NC CD L4 +Out TM VC PC C2 –In +Out +In -In –Out VTM -Out +Out -Out この並列構成において、冗長性はありません。冗長運転のための並列接続、過度のダイナミック負荷 変動への対処については、さらに多くのペアの並列運転と同様に、別のアプリケーションノートで扱 うことになります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:002 of 4 Application Note AN:002 注意事項 PR バスに外付けのコンデンサを接続しないで下さい。 いくつかの負荷条件、もしくはフォルト条件下において、VTM の双方向特性にために、 つのペアが もう一方のペアのファクトライズド・バス（相互に接続された PRM と VTM との間のパワーライン）を ドライブする可能性があります。これを防ぐために、オアダイオードを逆流防止用として VTM の入力 に追加するか、もしくはシステムの制約からこれらのオアダイオードの電力損失が許容できない場合、 ダイオードを使用する代わりに、それらの 2 つのペアのファクトライズド・バスを並列接続します。 一般的な電源の並列接続について 伝統的に、DC-DC コンバータは、その出力電圧を検出して内部の基準電圧と比較することによって、 予め設定された値に出力電圧を一定化します。そのために、スイッチング周波数、もしくはパルス幅 を調節します。それらのコンバータは、その電流制限、もしくは電力制限のどちらかに達するまで電 圧レギュレーションを維持するように定電流電源、もしくは定電力電源として動作することができま す。定電流電源では、その制限を超えたときに電圧が垂下し、電流が固定した状態を維持します。 2 つの定電圧 DC-DC コンバータを電力増大のために並列に構成するときに、それらの入力、出力をそ れぞれ接続することだけでは、負荷電流は均等に分担されません。 それぞれのコンバータは、その出力をサンプリングし設定電圧を維持するために、その基準と比較し ています。製造上のばらつき、及び、回路インピーダンスの不均衡のために、 つの電源が常にもう 一方よりも設定電圧が高くなります。説明されたように 2 つの電源を並列に動作することに関して、 つはその出力よりも高い電圧を検知して、出力動作が停止して「待機」状態となります。 その待機状態のコンバータは、その出力端子上の電圧がその設定点より下に低下するまで、電流供給 を開始しないでしょう。回路インピーダンスにもよりますが、電流供給を行っているコンバータがそ の電流制限値に達してその電圧を垂下させるまで、待機状態のコンバータによる電流供給は開始され ません。最終的に負荷はバランスしていきますが、多くの場合完全に均等な電流分担にはなりません。 この簡単な「オーバーフロー方式」では、全負荷条件では分担精度が高くなる反面、軽負荷条件では悪 化します。 電流分担精度を最適化するためには、抵抗を追加し、各コンバータを調節することによって、このオー バーフロー方式を改善できます。しかしながらこの改善は、それぞれの出力電圧の設定を個々に調節 するという犠牲のうえに成り立っています。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:002 of 4 Application Note AN:002 V ･ I Chip の並列構成 V ･ I Chip トポロジーはユニークで、先ほどのコンバータとは異なった動作を示します。PRM は、そ の電流制限を超えると電流を給電することができません。それらはシャットダウンし、再起動シーケ ンスを開始します。並列に構成したときに、それらのデバイスの非同期性と固有の起動遅れのために、 つのペアにこのシャットダウンが起きると、同時にもう一方のペアも電流制限に達してシャットダ ウンする可能性があります。したがって、従来のコンバータのようにオーバーフロー方式を使用する ことはできません。PRM の PR 端子、および、PC 端子の機能を使用して、ペア同士での正確な電流分 割を行う必要があります。 PCB レイアウト PCB レイアウトの詳細については、アプリケーションノート AN:005「FPA プリント基板レイアウトガ イドライン」をご参照下さい。 評価ボード Fig.2 に示すのは、評価ボード PRM-CB と VTM-CB とを使用した構成です。これらの評価ボードにつ いては Vicor のウェブサイト（http://www.vicorpower.jp/）をご参照下さい。 PRM 評価ボードは、2 つのペアが並列に接続された場合に PR バスの等価インピーダンスが 0kΩにな るように、ボード上の PR と SG との間に 20kΩの抵抗が接続されています。 （もしも評価ボードを 2 つ 以上並列に接続するときは、その 20kΩの抵抗を“ボード数”× 0kΩに交換する必要があります。） この Fig.2 の構成における各ペアは、6VA を出力することができ、2 個並列では 6A 定格となります。 公称入力電圧は 28Vdc です。 マスター Figure2 MP028F06M2AL-CB と MV06F60M00-CB との ペアを 2 つ接続。 上側はマスター、下側はスレーブ として動作している。 マスターは“アダプティブループ” ＋ Vout 構成に設定されている。 PR Bus PC Bus − Vout ＋ Vin − Vin スレーブ vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:002 of 4 Application Note AN:002 Figure3 Vin28V における 負荷電流分担の様子 Measured Output Current (A) テストデータ Current Share at 28 Vin 3.5 3 2.5 2 Master Slave 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Load Set Current (A) 無負荷から全負荷まで変化したときの静的な出力電圧変動は最大 0.8V、もしくは、0.49% です。こ れについての測定ポイントは、負荷へ接続した共通のポイントで接続しています。Fig. のテストデー タは、公称入力電圧 25˚C、静的な負荷条件で測定されました。 さいごに PR インターフェースを使用する V ･ I Chip の並列運転によって電力容量を増大することは容易で、高 帯域 / 高スルーレートが必要とされない多くのアプリケーションには理想的です。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:002 of 4 Application Note AN:003 Powering Multiple VTMs with a Single PRM 1つのPRMから複数のVTMへの給電 By Doug Ping Principal Field Application Engineer West Coast 目次 はじめに Page このアプリケーションノートでは、複数の負荷に電力を供給する電源システムを、 つの PRM と複数 の VTM によって構成する事例について説明します。 1 V ･ I Chip ファミリの つの主要なコンポーネントは、PRM と VTM です。PRM は前段で電圧レギュ レーションを行い、VTM はその後段で負荷点において絶縁と電圧変換を担います。PRM と VTM を組 み合わせることによって、高い電力密度、高い効率、高い柔軟性を持つ DC-DC 電源システムを構成 追加した VTM 起動回路の 2 動作について さいごに はじめに 3 できます。 高い電圧精度（＜ %）を必要とするアプリケーションについては、 つの VTM を つの PRM と共に 使用することを推奨します。また、それほど高い電圧精度が必要とされない場合、複数の VTM にバス 電圧を供給するために、PRM をローカルセンスで使用できます。これらの VTM の出力電圧変動は、 VTM の直列インピーダンスにそれらの出力電流に乗算することによって得られる電圧降下です。この 構成の負荷電圧のレギュレーションは、使用する VTM と負荷条件によって異なりますが、一般的には ± .5% 程度です。この電源構成では、各出力電圧同士は個々に絶縁されています。標準的なクォー ターブリックを使用する 3 出力の電源システムでは、各出力ごとに つのブリックコンバータが必要 です。V ･ I Chip を使用する場合は、 つの PRM と 3 個の VTM が必要です。Fig. は、高電力密度の V ･ I Chip を使用することによって、必要なプリント基板上の占有面積を従来のブリックを使用した場 合に比べて非常に少なくできます。 Figure1 ブリックコンバータと VIC との 占有面積の比較（実寸表示） PRM の VC 端子（VTM 制御用端子）は、立ち上げ時に後段の VTM へ起動用の Vcc 電圧を給電し、起動 後は VTM からその出力インピーダンスを補償するためのフィードバック情報を受け取ります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:003 of 3 Application Note AN:003 Fig. は、PRM の代表的な起動波形を示します。起動時に出力電圧を出力する前に、PRM は VTM へ 起動用の Vcc 電圧として VC パルスを供給します。その VC パルスは、標準的には 4V で、9 ∼ 5 msec の間続きます。PRM が VTM へ VC 電圧を印加してから約 ∼ msec 後、PRM はその設定電圧 までその出力電圧を立ち上げます。VTM は、VC 電圧をその入力電圧立ち上がりより前に受け取るこ とによって、その入力と同期して出力を立ち上げます。VC 電圧は、VTM の入力電圧が入力低電圧保 護設定値を超えた後は不要です。VC パルスがなくなってから、PRM の VC ポートは VTM からのフィー ドバック情報を受け取ることを開始します。これは、V ･ I Chip の独自のアダプティブループ機能で、 VTM 内部の出力抵抗分による負荷変動を補正することができます。VTM は、その入力電圧が動作入 力電圧の下限を下回るか、故障状態が発生するまで、電力処理を継続します。一旦停止した VTM を再 起動するためには、VC 電圧は再度印加される必要があります。 Figure2 PRM の入力電圧、 出力電圧、VC 電圧 Figure3 VC 起動電圧、電流波形 Figure4 フォルト条件での PRM VC 電圧 追加した VTM 起動回路の動作について 起動時に、PRM が VC パルスを発するまでの間、MOS-FET Q によって Q3 は停止していて、VTM #3 の VC 端子に電圧は印加されていません。PRM が VC パルスを出力すると、VC パルスが PRM から 出力されている間、Q は Q の動作を停止させ、その結果、Q3 は VC パルスに同期して VTM#3 の VC 端子に電圧を印加します。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:003 of 3 Application Note AN:003 Q4 のコレクタは D によって 5V にクランプされていて、Q3 からの VC 起動出力を 5V に制限しま す。R7 は電流検出抵抗です。VC 端子へ最大 50mA 供給できるように、この事例での電流制限は約 00mA に設定されています。もし複数の VTM を起動したい場合、Q3 がその最大チャネル温度を超 えないように電力損失を再検討し、同時に、電流制限値をこの事例よりも増やすことが必要です。 Fig.3 は、VC 起動出力電圧と電流波形、及び、PRM の VC パルスと出力電圧波形を示します。PRM 入 力端子間での過電圧条件のようなフォルト状態の間、PRM は停止と再起動を繰り返す状態となり、そ の VC パルスを周期的に出力します。Fig.4 に示されるように、Q3 からの VC 出力は、追加した VTM がフォルト状態から適切に復帰することを保証するために、PRM からの VC 信号を反映しています。 さいごに このアプリケーションノートでは、追加回路によって複数の VTM を PRM が給電するための方法につ いて説明し、複数の負荷電圧が要求される電源システムの構成事例を示しました。このアプローチは、 V ･ I Chip の特徴を生かすことによって、コストと PCB 実装面積双方を低減する特徴を持っています。 Figure5 VC パルスに同期した VTM#1 +Out +In VTM 起動用シリーズレギュレータ VTM TM VC PC -Out +12 Vdc +Out K=1/4 -In -Out VTM#2 B1 +Out +In VTM TM VC PC L1 0.4 µH D1 1N4148 PRM-AL +In R1 511 k –Out R4 80k Q3 Si2328DS R6 4.42 Meg R3 20 k 48 Vdc R2 511 k C2 100 pF R7 22 ohms R5 1k Q2 2N7002 D3 1N4001 Q4 BC817-25 Q1 2N7002 +Out 36-75 Vdc –In VH SC SG OS NC CD -12 Vdc K=1/4 -In VC PC TM IL NC PR -Out +Out D2 MMSZ5254BT1 15 V -Out VTM#3 +Out +In TM VC PC VTM K=1 -In -Out 48 Vdc +Out -Out B2 Table1 部品表 部品番号 型 番 Ros R R R3 R4 R5 R6 R7 D D D3 B B L Q Q Q3 Q4 BAS6 MMSZ554BT SA BLM3PG330SNL BLM3PG330SNL SLC7530D-0ML N700 N700 Si38DS BC87-5 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 仕 様 Resistor .37 k（/8 W） Resistor 5 k（/8 W） Resistor 5 k（/8 W） Resistor 0.0 k（/8 W） Resistor 80.6 k（/8 W） Resistor .00 k（/8 W） Resistor 4.4 M（/8 W） Resistor （/4 W） High Speed Diode 5 V Zener Diode 50 V A General Purpose Rectifier 33 ohm Chip EMIFIL Inductor 33 ohm Chip EMIFIL Inductor SMT inductor 0.4 μ H（Coilcraft） 60 V N-Channel Enhancement Mode FET 60 V N-Channel Enhancement Mode FET 00 V N-Channel MOSFET（Siliconix） 45 V 500 mA NPN Transistor（Philips） Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:003 of 3 Application Note AN:005 FPA Printed Circuit Board Layout Guidelines FPAプリント基板レイアウトのガイドライン By Paul Yeaman Principal Product Line Engineer V•I Chip Strategic Accounts 目次 Page はじめに 1 基板レイアウトの 重要性 1 負荷点における 低いDCインピーダンス 1 レイアウト はじめに V ･ I Chip が提供するレイアウトの柔軟性および高電力密度によって、電源システムの電力密度が最先 端のテクノロジー上の進歩に歩調を合わせることが可能になります。さらに重要なことに V ･ I Chip は 電力変換システムをその構成する機能ブロックに分割できます。一般的な絶縁型 DC-DC コンバータ は、PRM と VTM の つに分割されます。レギュレーション機能は、PRM によって行われます。小型、 高密度、そして効率的な VTM は負荷点に配置され、電源システムの絶縁機能と電圧変換機能を提供し ます。VTM の基板占有面積は少なく、PRM から離れたところに配置でき、また完全に別の基板に配 置することもできます。V ･ I Chip のレイアウトの柔軟性に多くの利点がありますので、これらの電力 コンポーネントを使用して電源システムを設計する際には、以降で述べるいくつかの基礎的なガイド ラインをご参照下さい。 負荷点における 低いACインピーダンス 4 のレイアウト 基板レイアウトの重要性 PRM–VTMレイアウト 5 重要です。最適な基板レイアウトは、電源システム全体のパフォーマンスを向上させます。レイアウ PRM制御信号： OS,SC,CD き起こす可能性があります。不適切な大電流接続の設計では、予期しない熱的な抵抗損失を引き起こ 5 PRM制御信号：PR 6 PRM,VTM,および BCM制御信号：PC トが適切でない場合、電源の不安定、効率の低下、システム全体のノイズ、データの障害などをを引 すかもしれません。同様に、トランジェント負荷変動において発生する寄生スパイクを引き起こす可 能性があります。 電源の制御信号のパターンの引き回しは、システム設計の際に見逃されることがよくあります。電源 6 システムに接続される重要な信号が適切な設計ガイドラインに沿わずパターンが引かれた場合、多く のシステムコンポーネントのセンシティブなデジタルとアナログ信号の適切なレイアウトに関して注 意が払われないことがあります。最終的に電磁障害（EMI）が、 （その他は申し分なく設計された）シス PRM/VTM 相互接続信号：VC 基板レイアウトは、電源と実際の負荷との相関関係、及びあらゆるアプリケーションの成功のために 7 テム上の問題になります。電源システムから電磁障害を除去するために証明された方法論はありませ んが、ここでは電磁障害を少なくするためのいくつかのガイドラインについて扱います。 PRM/VTM間の 給電ライン 7 負荷点における低い DC インピーダンスレイアウト 負荷点における銅箔パターンの理想的なレイアウトは、適用する負荷のタイプに依存します。本質的 EMI最小化のための レイアウト 8 さいごに 10 に低電圧、大電流の二つのタイプがあります。 a）単一のデバイスに大電流負荷（Fig.）、そして、b）単一の低電圧バスによって給電される複数のデ バイス（Fig.） vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 Figure1 つのデバイスに Figure2 複数のデバイスに つの低電圧 大きな負荷電流が 流れる場合 デバイスから 給電される場合 一般的な低電圧、大電流アプリケーションについて、DC インピーダンスと AC インピーダンス（イン ダクタンス）は最小化する必要があります。 基板レイアウトにおいて DC インピーダンスを最小化することは、相互接続のインピーダンスと形状 を決定するために正方形を使用する解析が必要です。 0.641 mΩ edge to edge Figure3 サイズとは無関係に 正方形の向い合う辺同士の インピーダンスは等しい 0.641 mΩ edge to edge 0.641 mΩ edge to edge 0.641 mΩ edge to edge 0.641 mΩ edge to edge 0.641 mΩ edge to edge 厚さ 5 μ m（ オンス）の正方形の銅箔は、正方形の面積とは関係なく、並行し合う辺同士の間の抵 抗値は 0.m Ωになります（Fig.） 。ここで、正方形の端面から端面までの間で電流が均等に流れる ことが重要です。給電側、もしくは負荷側の形状のために端面から端面へ均等に電流が流れない場合、 さらに小さな正方形に分解しなければなりません（Fig.） 。 Load Load Figure4 電流経路を正方形に分解 Source Source 6 6 Current Flow Current Flow vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 単一の大電流マイクロプロセッサ負荷について、基板上の DC 損失を決定するために つのステップ があります。 1）給電側と負荷側との間の電流経路を決定します。給電側と負荷側が直線状のパターンによって接続 される場合、電流はパターン全体を通して流れます（Fig.5） 。 Figure5 直線状に引かれたパターンは Source 0.5mm幅のパターン Load 容易に正方形に分解できます Source 0.5mm幅のパターン Load もしも給電側と負荷側がベタパターンによって接続される場合、電流は最短経路を流れます（Fig.） 。 Fig. に示すように、給電側と負荷側の形状が異なるサイズの場合、電流経路は扇形の特性になるかも しれません。同様に、プラス側ラインとマイナス側ラインの電流経路が異なって引かれる可能性につ いても留意して下さい。 Load Figure6 Load ベタパターンにおいて 電流は最短経路を流れます Source Source Current Flow Current Flow 2）その電流経路を、いくつかの正方形に分割して下さい。Fig.5 に示したように、配線の幅が 0.5mm ならば、その電流経路は、その配線の長さについて、0.5mm 平方の正方形のつながりに分割できます。 もしも電流経路が Fig. にみられるようなベタパターンの場合、そのオリジナルの形状を適度に表す 為に、小さな一連の正方形を使用し、その形状を再構成します。 3）正方形の数の合計を計算します。Fig.5 に示す接続について、これは電流経路の正方形の合計です。 「その縦に連なる正方形の個数の逆 Fig. のように正方形が縦方向にいくつか連なっている場合では、 数」 ×「 つの正方形の抵抗値」 が、その部分の抵抗値になります。例えば、縦に つの正方形がつながっ ている箇所は「 つの正方形の抵抗値」の /。 つ連なっている箇所では / として計算します。その 後、縦方向に個々に分割して計算した値を、給電側と負荷側まで合計します。 4）電流経路の抵抗値を計算します。厚さ 5 μ m（ オンス）の銅箔の正方形が 0.m Ωというルー ルを使用して、抵抗値の合計について、正方形の計算した数をこれに掛けます。厚さ 5 μ m を超え る銅箔の場合、この抵抗値は比例して減少します。同様に、厚さ 5 μ m 未満の銅箔の場合は、この 抵抗値は比例して増加します。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 5）この電流経路の配電損失（W）を計算するために、最大電流の二乗をこの抵抗値の合計に乗算します。 これらのステップ ∼ 5 は、給電側と負荷側との間で電流が流れる部分全てについて計算が必要です。 複数の負荷点がある場合（例えば、 個の V ･ I Chip は異なる場所にある 5 ∼ 個のデバイスに給電す る等の場合） 、ステップ ∼ 5 は、共通の電流経路には合計電流を使用して、そして個々の電流経路に はその特定のデバイスに流れる電流を使用して個々に分割して計算します。 （Fig.） Figure7 複数の負荷点に電流が流れる場合； Source 3 load 1 3 Load 1+2 Load 1 個々の区分で抵抗値を計算します Load 2 6 Load 2 5 Load 3 Load 3 負荷点における低い AC インピーダンスのレイアウト High Inductance Lowest Inductance Load + VTM 出力から負荷点までの電流経 Source + 高速なトランジェント応答が必要とされるアプリケーションでは、 Lower Inductance Load + Source + 路の AC インピーダンスは重要です。トランジェント応答の前縁は式 によって決定されます。 式1 “X” VTrans ＝ L・ dl L dt + Layer 1 この式での IL は負荷電流を表し、L は給電側と負荷側との間のインダクタンスを表します。 Load – Source Source – 3 load 1 3 Load 1+2 Load 1 Source – Load 2 このインダクタンスを制限するために、プラスラインのソース電流とマイナスラインのリターン電流 “” は、それぞれの磁界が打ち消されるように互いに近接して流れる必要があります。インダクタンスは 6 Load 2 主としてループエリアの関数です。ソース電流とリターン電流との間の面積が大きいと、磁束の打ち – Layer 2 Load – 消しは少なく、そしてインダクタンス全体は大きくなります（Fig.）。 5 Load 3 Figure8 ループ面積の最小化は Source + High Inductance Load + Source + Load 3 Lower Inductance Lowest Inductance Load + Source + Load + + Layer 1 AC インピーダンスを低くします Source – “X” Load – Source – Source – “” Load – – Layer 2 Load – vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 VTM のパッケージデザインは、ソース（Vout ＋）とリターン（Vout −）のパッドを交互に配置するこ とによって、寄生インダクタンスを制限します（Fig.）が、寄生インダクタンスに帰着する不完全な 電流の打ち消しがあります。PCB 上の Vout ＋と Vout −のパッドを可能な限り近接させ、VTM と負 荷との間の Vout −と Vout ＋とのパターンを交互に挟み込むことによって（Fig.0）、このインダクタ ンスを最小化できます。 Figure9 VTM 端子配列 （Bottom View） +Out +In Figure10 VTM の出力パターンを 交互に挟み込む ことによって -Out TM VC インダクタンスを 小さくします PC +Out -In -Out Bottom View このようなレイアウトを実施することにより、VTM フルサイズパッケージにおいて相互接続のインダ クタンスを 00pH 程度に低くすることが可能です。 AC インピーダンスの低減について、その他の推奨事項： 1）交互に挟み込んでいる内層に電流を伝達するために、J リード同士の間と裏側にバイヤホールを使 用します。バイヤホールは同様に、DC インピーダンスをさらに減少させるために J リードの前に配置 できますが、そのパッドは AC インピーダンスを制限するために可能な限り小さくし、そして、J リー ドから離れるに従ってバイヤホールの数を減らす必要があります。 2）交互に挟み込む銅箔層は、可能な限り多くします。もしも Vout ＋と Vout −にベタパターンを割り 当てることが不可能な場合、横並びとは対照的にお互いの上部にパターンもしくはパッドを使用しま す。 3）負荷からの寄生インダクタンスを少なくするために、負荷点において高周波バイパスコンデンサを 使用します。これらのコンデンサは、低 ESL/ESR タイプを使用し、電流の流れに沿って一列に配置し ます。 4）VTM は、可能な限り、負荷点に近く配置して下さい。 PRM–VTM レイアウト PRM と VTM を接続する際の電力線、および信号線の相互接続のレイアウトについて現在検証中です。 PRM 制御信号：OS,SC,CD PRM の端子配列は Fig. に示されます。出力電圧設定点の制御、及び、アダプティブループモード で使用するときの負荷の関数として補正を制御するいくつかの制御端子があります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 これらの制御端子は、インピーダンスが高く、ノイズに影響を受けやすい特徴を持っています。注意 が必要な端子は PR、OS、SC、CD、VC の各端子です。また、PC 端子にも若干の注意が必要です。 PC 以外の全ての端子は、レギュレーション制御ループに直接接続されています。 Figure11 PRM 端子配列 （Bottom View） VC VH SC PC SG TM OS IL NC NC CD PR +OUT +IN –OUT –IN Bottom View 出力を設定するために使用する抵抗（OS、CD）は、誘導されるノイズを最小限にするために、それぞ れ接続される PRM の各端子に可能な限り近づけるように配置します。ノイズ環境耐性を高めるために、 パワーラインからこれらの信号ラインをシールドしてください。このシールドプレーンは、Fig. に 示されるように、プリント基板の一部として形成します。もしもこれらの抵抗が PRM の近傍に配置で きない場合、高周波成分を減衰するために、バイパスコンデンサ（∼ 00pF）を使用してください。こ のデバイスはレギュレーションステージを構成するため、VTM に比べるときレイアウト問題に対して 最も敏感です。 Figure12 パワーラインから 信号ラインをシールド PRM 制御信号：PR PR 信号は、PRM、もしくは PRM/VTM ペアの複数の並列運転を行うために使用されます。V ･ I Chip の並列運転については特別な考慮事項がありますので、該当するアプリケーションノートをご参照下 さい。 PRM,VTM, および BCM 制御信号：PC PRM、VTM、及び BCM は全て出力の起動と停止を行うために使用する PC（Primary Control）端子を 持っています。外部のアプリケーションの特定のデバイス（負荷、またはマイクロコントローラ、も しくは電源のシーケンス動作を行うその他のデバイス）とインターフェースするように設計されてい るという点で、この端子は重要です。一般的なアプリケーションでは、PC 信号パターンがプリント基 板を横断してかなりの距離を引き回される可能性があり、注意を払う必要があります。PC 信号は、特 に制御信号 OS、CD、SC と比べてノイズ環境耐性があります。しかし高電圧でスイッチングしている パターンに容量結合した場合は、PC 端子上にノイズが注入され、誤動作を引き起こす可能性あります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 PC 端子に進入したノイズが大きい場合、出力停止を引き起こす可能性があります。これを除去するた めに、高速にスイッチングしているパターンの下、もしくはその近傍に PC 端子のパターンを引くの は避けて下さい。他のモジュール化されたパワーデバイスが内部で高電圧スイッチングを行っている 場合もありますので留意して下さい（例として、Fig. に示されるように、高電圧 BCM の一次側の下 に、PC パターンを引く事を避けて下さい） 。高電圧スイッチングのパターン、もしくはデバイスの近 くにパターンを引くことが必要な場合、Fig. に同様に示されるように、VTM と BCM については− IN リターンを、PRM については SG を使用するファラデーシールドなどを使用して下さい。 Figure13 高電圧スイッチングラインから PC 信号ラインをシールド （高電圧 BCM） PRM/VTM 相互接続信号：VC VTM は制御端子 VC を持っており、PRM とのペアをアダプティブ・ループで使用するときに、負荷電 圧の変動分を補正するために使用されます。この信号ラインは、リターンラインとして使用される PRM OUT パターンの近くに引いて下さい。SG に接続された つの層の間に信号パターンを引くこ とによってシールドを行って下さい。VC ラインと− IN ラインにフェライトビーズ（ Ω＠ 00MHz） を挿入することは、いくつかの非常に高い周波数の減衰に効果的です。 PRM/VTM 間の給電ライン PRM から VTM へ比較的高いバス電圧（例：∼ V）を供給することによって、給電損失を最小化する ことに加えて、VTM を PRM から離れた負荷点に配置できます。例えば、.5V00A（50W）出力の VTM には、PRM から A 程度を供給するだけです。負荷点から、VTM を通してみた PRM と VTM と の間の配線インピーダンスは、次の式 で表されます。 式2 ZLoad ＝ ZPRM–VTM・K2 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 ここで K は、VTM の出力電圧をその入力電圧で除算することによって定義される変換比率です。式 は、DC から MHz までのインピーダンス値については適用できます。これより上の帯域では、VTM の内部インピーダンスが支配的になります。 式 は、K ファクタと反射インピーダンス間の関係を示しています。K ＝ について、PRM と VTM と の配線インピーダンスはそのまま負荷側に現れます。しかし K ＝ / について、負荷側に現れる PRM-VTM 間の配線インピーダンスは約 /000 になります。したがって、K ＝ /VTM を使用する 場合、PRM と VTM 間の配線インピーダンス Ωは、負荷点からは等価的に m Ωになります。 給電ラインの配線インピーダンスによる負荷側への影響が VTM によって減少するので、負荷特性への 影響はほとんどなく、PRM と VTM 間の給電配線は細く、高インピーダンスにすることができます。 しかし常に電力損失が可能な限り小さくなるようにパターンのサイズを決めて下さい。また、寄生イ ンダクタンスも最小にして下さい。 最後の注意点は、出力と入力のリップル電圧に関してです。PRM と VTM はそれぞれ特定のスイッチ ング周波数で動作する電力変換デバイスなので、入力と出力のバスライン上に、それぞれ特徴的なリッ プル電圧が出力されます。PRM と VTM とは異なる周波数で動作しているため、PRM から VTM への 給電ラインに低周波の“ビート・ノイズ”が現れる可能性があります。ビート周波数を減衰し、制御ルー プとアプリケーション双方への潜在的な影響を少なくするために、PRM と VTM との間に少量のイン ダクタンスを挿入することを推奨します。大部分のアプリケーションにおいて、PRM の＋ OUT と VTM の＋ IN との間にインダクタ 0. μ H を直列に挿入することによって、高周波電流を十分に減衰し ます。 EMI 最小化のためのレイアウト これは、伝導ノイズ、 及び放射ノイズを最小限にするためのレイアウトのガイドラインです。実際のフィ ルタ、及びシールドの設計は別のアプリケーションノートをご参照下さい。ここでは伝導、及び放射 ノイズを最小化するためのコンポーネントのレイアウトを示します。 PRM、及び VTM の双方のコンポーネントは、数 MHz でスイッチングするコンバータです。使用され ているゼロ電圧スイッチング（ZVS）とゼロ電流スイッチング（ZCS）の技術によって伝導、及び放射ノ イズのレベルは従来のハードスイッチング方式の電源よりもかなり小さくなっています。 ノーマルモードノイズは、コンバータの Vin ＋と Vin −（もしくは Vout ＋と Vout −）との間に現れる AC 電圧です。PRM と VTM についてコモン、及びノーマルモード双方のノイズ成分は、 ∼ MHz の帯域において強く、0MHz を超えると小さくなります。通常の場合、VTM（もしくは、BCM）の 後段に使用される一般的な POL コンバータ（niPOL のような）は数百 kHz で動作していますので、 00kHz と 500kHz との間に強い基本周波数として現れるでしょう。 コモン、及びノーマルモードのフィルタは、 ∼ MHz を減衰するために形状を決め配置します。減 衰用の直列インダクタ、及びバイパスコンデンサは、V ･ I Chip に近づけて配置して下さい。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 伝導ノイズを管理するために非常に重要なのは放射ノイズです。放射ノイズは、電磁界によって生成 される AC 電圧です。電磁界は、導体（銅箔パターン、ベタパターン、もしくは配線のような）を通っ て移動する AC 電流によって生成されます。放射するための導体の能力は、その長さ、流れている電流、 そして、AC 電流の周波数が基になります。放射ノイズは同様に、トランス、もしくはインダクタか らの磁界が近傍の導体とカップリングすることによってもたらされます。 放射ノイズと伝導ノイズは関連しており、それぞれが互いに発生させる場合があります。伝導ノイズ を減衰するためのフィルタ、及びフィルタ用部品は、V ･ I Chip とカップリングしないように密着させ ずに、しかもフィルタと V ･ I Chip との配線から発生する放射ノイズが大きくならないように双方を近 接して配置して下さい。周囲の金属は、ノイズに敏感なコンポーネントを保護するためにシールドと して働く場合と、回路のその他の部分へノイズを再送する導管として働く場合があります。 以下は、電磁障害の影響を減少させるためのいくつかのシンプルなレイアウトのガイドラインです。 1）PCB 内部を移動する高周波のノーマルモード電流を制限することは重要です。高周波用のバイパス コンデンサは、可能な限りモジュールに近づけて配置して下さい。 ∼ MHz のリップル成分はそれ らが .5 ∼ 5cm 以上離れる場合はより効果的です（すなわち、PRM と VTM は 5cm を超えて分離され る） 。 2）コモンモード用のバイパスコンデンサは、個々の VTM に配置し、それぞれの VTM の下に直接設け たグランドシールドプレーンにバイパスして下さい。これは、容量結合したコモンモードスイッチン グ電流をそれぞれの VTM に戻し、その他のパターンへのカップリングを制限します。 3）インダクタとコンデンサの組合せを推奨します。バイパスコンデンサはノイズ電流の戻り経路に低 インピーダンスを提供し、インダクタはノイズ源と接続される経路のインピーダンスを増加します。 4）ノイズに敏感なコンポーネントは、PRM、もしくは、VTM の上に直接配置しないで下さい。双方 の V ･ I Chip コンポーネントは、パッケージの上部、及び下部に閉磁界が現れます。この磁界をさえぎ るコンポーネントにカップリングして、 ∼ MHz のノイズが現れる可能性があります。 5）バイパスコンデンサの自己共振周波数を確認することが必要です。バイパスコンデンサが、PRM、 もしくは VTM のスイッチング周波数に近い周波数において、自己共振する場合があります。一般に、 セラミック、もしくはフィルムコンデンサは非常に高い Q を持っています。直列にダンピング抵抗を 追加することはいくつかのアプリケーションにおいて検討すべき必要があります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 of 10 Application Note AN:005 さいごに 適切なレイアウト設計は、与えられたアプリケーションに対して最適に機能する、小型で高密度な電 源システムを設計するために欠かせません。ノイズに敏感な負荷コンポーネントの中に電源コンポー ネントを展開する際、負荷コンポーネントと電源システム双方のレイアウトを最適化するよう、設計 するシステムにおいて注意して下さい。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:005 10 of 10 Application Note AN:006 A Filter Solution for the BCM BCM用入力フィルタ By Salah Ben Doua Sales and Senior Applications Engineer & Marco Panizza Manager, European Applications Engineering 目次 Page はじめに バスコンバータモジュール BCM は、V ･ I Chip ファミリのひとつです。狭い入力電圧範囲の DC バス から、絶縁された中間バス電圧を niPOL コンバータへ給電します。同様に、独立した DC ソースとし 1 ても使用できます。 フィルタの評価ボード 1 フィルタの評価と 最適化 ドスイッチングを行う従来のブリックコンバータと比較して、非常に小さな伝導ノイズ、および、放 射ノイズを示します。 3 K ＝ 1BCM 4 BCM から niPOL に給電 V ･ I Chip は、電気的な電力変換について先例のない低いノイズレベルを達成しています。今までにな い独自のソフトスイッチング（ZCS/ZVS） 技術を採用した V ･ I Chip は、MHz に満たない周波数でハー 3 K ＝ 1/16 および K ＝ 1/4BCM 複数の BCM の フィルタリング はじめに 外付けのフィルタリングコンデンサなしで、BCM の出力ノイズはその出力電圧の % 未満です。ソ フトスイッチングの周波数が .MHz と高いため、負荷点に追加した小さなセラミックコンデンサと、 プリント基板上の配電パターンのインダクタンスとの組合せによって、負荷点でのリップル電圧は 0.% 未満に減衰されます。独自のソフトスイッチングテクノロジーによって高周波でスイッチング しているので、システムレベルの EMI フィルタは、簡易に、小型に、そして、低コストになります。 5 V ･ I Chip は、高周波でのソフトスイッチングによるノイズ減衰の利点を利用しています。このアプリ ケーションノートでは、BCM を使用するユーザーのために、最適なフィルターソリューションを提示 6 します。 BCM を並列に動作させる 1/4-brick IBC600W の フィルタリング 6 さいごに 7 プリント基板の面積が非常に制限されている、もしくは、パッケージされたソリューションが望まし いアプリケーションについて、このアプリケーションノートの最後のフィルタ製品の紹介をご参照下 さい。 フィルタの評価ボード V ･ I Chip 用の 入力フィルタ製品について （スペースの節約のために） 7 Vicor の BCM 評価ボード（Fig. 参照）は、BCM を動作させるために、そして、基礎的な試験および 測定を行うためにシンプルなプラットフォームを提供します。このボードは、V ･ I Chip と動作に必要 ないくつかのその他の部品とを収納するように設計されています。大きな銅箔のスルーホールのパッ ドは、入力および出力の接続用に提供されています。 Figure1 BCM 評価ボード vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:006 EMI フィルタを接続し、減衰特性を評価するために、Fig. に示す BCM 評価ボードと共に EMI フィル タを実装可能なフィルタ評価ボード（Fig. 参照）を使用します。 Figure2 フィルタ評価ボード 試験に使用したフィルタ評価ボードの回路図については、Fig. を参照ください。 Figure3 フィルタ評価ボードの回路図 L C5 C3 +Out +In + C1 C2 L O A D -Out TM RSV PC -In BCM K Ro +Out -Out C4 C6 フィルタボードでは Y コンデンサを最短のリードで接続できるように、BCM の真下にグランドプレー ンを設けています。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:006 フィルタの評価と最適化 BCM の EMI フィルタを設計する際の目安を提示できるように、Y コンデンサと X コンデンサの値を一 定に維持したまま、コモンモードチョークだけを変更して、最適な値を求めます。Fig. のコンデンサ の値は以下の通りです： C1: .µF,‘X’Type C2: 0µF,00V アルミ電解（BCM 評価ボード上） C3,C4,C5,C6: 700pF,‘Y’Type 試験には、下記の通り つの異なる K ファクタの BCM を使用しています： B08K00T7-EB: K ＝ /6BCM B08K0T0-EB: K ＝ /BCM B08K80T0-EB: K ＝ BCM 特に指定した場合を除き、全ての試験は、それぞれの BCM について公称入力電圧 8V 最大定格負荷 条件で実施されました。全ての測定値は、EN0 Level B, 準尖頭値の規制ラインと共にプロットさ れています。これは最も一般的な EMI スタンダードです。 K ＝ 1/16 および K ＝ 1/4BCM K ＝ /6 V および K ＝ / V BCM について、最適な減衰特性と最小の形状を提供するインダク タは、次の特性です： Core magnetics: ZW-0-TC 0 ターン＋ 0 ターン（AWG8wire） 公称インダクタンス値：µH（測定値 0µH） 18mm 7mm Figure4 入力帰還ノイズ （ μ H 使用） vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:006 K ＝ 1BCM 8V 出力 BCM について、その高い電圧のため、前述のインダクタでは充分な減衰を提供できず、そ して、第二および第三高調波と同様に基本波が規制ラインより上に増加します。この場合、より大き なインダクタンスを持つためにインダクタはさらに大きな形状になります。 この事例について押し進めた部品は下記のデータです： Core magnetics: ZJ-809-TC 0 ターン＋ 0 ターン（AWG8wire） 公称インダクタンス値：6µH（測定値 67µH） Figure5 入力帰還ノイズ （ μ H 使用） 22mm 13mm Figure6 入力帰還ノイズ （6 μ H 使用） vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:006 複数の BCM のフィルタリング 前述のフィルタ評価ボードには、入力コモンフィルタを共有して、複数の BCM ボードを実装するこ とができます。 ここでは、それらの BCM ボードの入力端子は並列に接続し、それぞれの出力同士は絶縁して個々の 負荷に接続しています。 （Fig.7 参照） Figure7 つの BCM を フィルタ評価ボードに実装 実装したこれら つの BCM は同期運転していないので、それらのノイズは加算されず、むしろ周波数 帯域全体に広がります。従って、大きな値のインダクタの必要性はありません。K ＝ /6BCM 単品 用に使用していた同じインダクタが使用できます。 なお、Fig.8 に示すプロットでは、上側の BCM ボードに Y コンデンサを接続していません。 Figure8 入力帰還ノイズ （ μ H 使用） Fig.9 では、双方の BCM に Y コンデンサを追加しており、フィルタリング特性は Fig.8 よりも改善さ れています。 Figure9 Fig.8 に対して、 全ての BCM ボードに Y コンデンサを追加。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:006 BCM から niPOL に給電 一般的な中間バスアプリケーション（IBA）では、Fig.0 に示されるように、 つ以上の niPOL コンバー タと、それらに給電する つの BCM によって構成されます。 Figure10 IBC アプリケーションシステム L Load 1 niPOL 2 Load 2 niPOL 3 Load 3 +Out +In + C1 niPOL 1 C3 C2 -Out TM RSV PC -In BCM K Ro +Out -Out C4 この構成を評価するために、抵抗負荷に接続された他社製の niPOL コンバータ（同期運転していない） と共に K ＝ /BCM を使用しています。インダクタは、K ＝ /BCM を単品で評価したときと同じ μ H です。 Figure11 つの niPOL を使用した IBC アプリケーション ＠ lout ＝ 0A 入力帰還ノイズ （ μ H 使用） niPOL によって生成された基本波 00kHz と第二高調波を確認することができます。niPOL のスイッ チング周波数が非常に低いため、もともと BCM 用に設計されたこのフィルタでは減衰特性が不足し ています。niPOL のその低い周波数のピークノイズを充分に減衰するためには、さらに大きなインダ クタが必要です。 BCM を並列に動作させる 1/4 brick IBC600W のフィルタリング 同じフィルタ評価ボードを使用して、/ ブリックサイズのプリント基板に実装された、並列に動作 する つの BCM の EMI 特性を同様に評価します。 Figure12 並列に動作する つの K ＝ I BCM を フィルタ評価ボードに実装 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:006 ここで、この つの BCM のスイッチングによって、全体にノイズレベルが高くなっていますが、単一 の BCM に比べてピークは増加していません。 Figure13 K ＝ I BCM 個並列運転 出力 600 Ｗ条件 入力帰還ノイズ （6 μ H 使用） Figure13a K ＝ I BCM 個並列運転 出力無負荷条件 入力帰還ノイズ （6 μＨ使用） 全てのプロットについて、使用したインダクタは K = BCM のときと同じものです。 Core magnetics: ZJ-809-TC 0 ターン＋ 0 ターン（AWG8wire） 公称インダクタンス値：6µH（測定値 67µH） さいごに BCM の発生ノイズはもともと小さいため、BCM の伝導ノイズについて世界的なスタンダードに合致 するレベルまでフィルタリングするのは、非常に容易です。一般に、 つのコモンモードチョークで 充分であり、高電圧・小電流出力、もしくは低電圧・大電流出力に関らず、使用する BCM に対して インダクタンス値は容易に最適化できます。特に注意点として、Y コンデンサは可能な限り BCM の近 くに実装し、そして、グランドプレーンに接地して下さい。 複数の BCM を使用するシステムについても、各 BCM の高調波は加算されず、その代わりに周波数帯 域全体に渡って拡散するので、BCM 単品と同じ方法によってフィルタリングできます。 V ･ I Chip 用の入力フィルタ製品について（スペースの節約のために） V ･ I Chip 用の入力フィルタとして、/ 平方インチの面積しか占有しないパッケージサイズで利用可 能です。また、ホットスワップ機能を持つわずかに大きなフィルタも利用可能です。詳細につきまし Actual Size ては http://vicorpower.com/picorpower/ をご参照下さい。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:006 of 7 Application Note AN:007 Using VTMs as 26–55V Input Bus Converters VTMを26∼55V入力のバスコンバータとして使用 By David Berry Principal Field Application Engineer Mid-West & Arthur Jordan Senior Field Application Engineer UK 目次 Page はじめに 1 ワイド入力の バスコンバータ 1 部品表 2 動作波形 3 はじめに VTM は、ファクトライズ・パワー・アーキテクチャ（FPA）の基礎的な構成パーツです。この新しい電 力変換アーキテクチャは、DC-DC コンバータの機能−レギュレーション、絶縁、そして電圧変換を つのブロックに分割します。前段で PRM がレギュレーションを提供し、後段で VTM が絶縁と電圧変 換を負荷に提供します（Fig.） 。高い周波数のサインアンプリチュードトポロジーを使用し、VTM は 負荷変動に高速に応答し、大電流を供給できる高電力密度のモジュールです。 ワイド入力のバスコンバータ VTM は、元来 PRM と共に動作するために設計されていますが、ワイド入力のバスコンバータモジュー ル（BCM） として単独に使用することもできます。標準的な BCM は、38 ∼ 55VDC の入力範囲を持っ ています。VTM を使用することによって、その入力範囲は 6 ∼ 55VDC にできます。VTM を BCM として使用するとき、起動時に必要とされる Vcc パルスを VTM の VC 端子に印加しなければなりませ ん。下記の Fig. の回路は、この VC パルスを供給するために使用することができます。 Figure1 PRM/VTM の接続 VC PC TM IL NC PR PRM-AL +In –In VH SC SG OS NC CD ROS RCD +Out +In Factorized Bus (Vf) VTM TM VC PC +Out +Out -In –Out -Out K Ro -Out Figure2 追加する VC パルス回路 +Vin R9 4.7 K R3 470 k R5 1k R1 300 k R11 18 k PC 6– 5 R8 220 k U1B 7 C1 1 nF 2 – 3 + Q1 BC337AP R6 10 U1A Vc D6 D3 + C3 220 nF Q3 D2 1N4148 SCR1 C2 220 nF R2 220 k R7 33 k R4 22 k U1C D4 C4 100 nF –Vin vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:007 of 3 Application Note AN:007 この回路は、N チャネル MOSFET を通して、通常 0msec 未満の短い起動パルスを供給するために設 計されています。この MOSFET が不必要にパルスを供給しないことを保証するために、デュアル・オ ペアンプと基準電圧源 U（TSM03W）は、VTM の入力端子に印加された電圧がその動作範囲 6 ∼ 55Vdc の中にあるかどうかをチェックします。入力電圧がその動作範囲内にあるとき、VTM が起動 して PC 端子電圧が上昇するまでの間、パルス電圧が VTM の VC 端子に印加されます。 そのパルスがオフする前に、出力電圧が安定したことを保証するため、時間遅延が加えられています。 SCR がオンして U 経由の出力パルスが停止するまで、C は R8 を経てゆっくりと充電されます。 VTM へのパルス時間を最小限にすることは、必要とされる MOSFET のサイズを減少させるのに役立 ちます。 負荷コンデンサが大きいと、起動時に VTM の過電流保護回路（OCP）が動作することがあります。そ の場合、VC 端子に連続してパルスが印加されます。過負荷状態においても、同様な現象が確認され ます。VTM の過負荷状態について、 Fig.6 を参照ください。レギュレーションされたバス電圧に対して、 VTM を単独で使用することは、設計者がこのコンバータの高い効率と電力密度、及び高速なトランジェ ント応答を利用することを可能にします。同じくそれは、標準の BCM より更に広い入力電圧範囲を 提供します。 部品表 部品番号 型 番 仕 様 U TSM03WID SCR P00BL Q3 IRLL0/BSS3 Q BC87 NPN トランジスタ BC337 相当 SMD SOT-3 D BAV70 ダイオード SMD SOT-3 (N448 相当 ) D3 BZX84C5 ツェナーダイオード 5 V 300 mW 以上 SMD SOT-3 D4 BZX84C4 ツェナーダイオード 4 V 300 mW 以上 SMD SOT-3 D6 BAT54 C n セラミックコンデンサ X7R 相当以上 C 0n セラミックコンデンサ X7R 相当以上 C3 0n セラミックコンデンサ X7R 相当以上 C4 00n セラミックコンデンサ X7R 相当以上 R 300k 抵抗 0.5 W or greater. SMD 0805 (00 V rated) R 0K 抵抗 0.065 W or greater. SMD 0603 R3 470K 抵抗 0.5 W or greater. SMD 0805 (00 V rated) R4 K R5 K 抵抗 0.5 W or greater. SMD 0805 R6 0R 抵抗 0.5 W or greater. SMD 0805 R7 33K 抵抗 0.065 W or greater. SMD 0603 R8 0K 抵抗 0.065 W or greater. SMD 0603 R9 4.7K 抵抗 0.5 W rated or greater. R 8K 抵抗 0.5 W or greater. SMD 0805 vicorpower.jp ST Microelectronics Dual OP-Amp & bandgap reference. SMD SO-8 ST Microelectronics サイリスタ SMD SOT-3 N-Channel enhancement mode MOSFET SMD SOT-3/SOT-3 ショットキーダイオード SMD SOT-3 抵抗 0.065 W or greater. SMD 0603 アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:007 of 3 Application Note AN:007 動作波形 Fig.3 ∼ Fig.6 は、V048F60T05 の VC 端子波形を示します。 Figure3 Vin ＝ 48Vdc VC Pulse vs Vout 起動時 Figure4 Vin ＝ 48Vdc VC Pulse vs PC 起動時 Figure5 Vin ＝ 48Vdc VC Pulse vs VC 電流 Figure6 Vin ＝ 48Vdc, Iout ＝ 5A VC Pulse vs VC 電流 フォルトコンディション vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:007 of 3 Application Note AN:008 V•I Chip Bus Converter Module (BCM) Thermal Management BCMの放熱設計 By Joe Aguilar Product Line Engineer, V•I Chip & Paul Yeaman Principal Product Line Engineer, V•I Chip Strategic Accounts 目次 Page はじめに このアプリケーションノートでは、特定の周囲温度、および与えられたヒートシンクオプションと空 はじめに 1 冷条件下での BCM の出力許容電力を決定する方法について説明します。 効率と損失電力 1 同様に、熱抵抗カーブを利用するためにケース温度の測定を行うことが説明されます。与えられた周 放熱経路 1 の熱抵抗カーブは BCM の効率とともに使用されます。 ヒートシンクの オプション 2 効率と損失電力 測定方法 3 囲温度と風速についての最大電力損失（そして、出力可能な最大許容電力）を計算するために、これら 出力動作の間、BCM の内部の半導体、トランスのコア、制御 IC、及び PCB パターンの全ては発熱し ます。式 に示されるように、生成された熱量は BCM の効率の一次関数です。BCM の効率はモデル によって異なりますが通常の場合∼ % で、従って、消費電力は 00W 負荷当たり平均約 W です。 サーマルディレーティング 4 カーブ 式 1： ヒートシンクの 選択方法 1 ・ PDIS ＝ POUT（ − 1） 7 温度ディレーティング 9 カーブ目次 B048F030T21 B048F040T20 B048F060T24 B048F096T24 B048F120T30 η PDIS は熱として BCM によって消費される電力（W） POUT は出力電力（W） ηは効率（%） 放熱経路 BCM の内部で発生した熱は、熱抵抗 RØJC、及び RØJB を経由して、それぞれ V ･ I Chip のケース、及 び実装しているプリント基板（J‐リードを介して）に伝導されます。 Fig. に示すように、それらの熱はさらにケースと雰囲気間の熱抵抗（RØCA）、もしくはプリント基板 と雰囲気間の熱抵抗（RØBA）によって周囲の環境に伝導されます。 B048F160T24 TA B048F240T30 TC B048F320T30 TB B048F480T30 TA TJ }RØ }R Ø }R Ø }R Ø Figure1 放熱はケース、及び 実装したプリント基板を 経由して行われる CA JC TA JB TC BA Mold Junction TJ PCB Mold TB プリント基板を通じての BCM の冷却は、どのくらいの銅箔が BCM を囲んでいるか、どのくらいの空 気がその銅箔を通過しているか、そしてどのくらいの熱がコンポーネントの周囲からプリント基板に 伝導されるかの関数です。大部分のアプリケーションにおいて、プリント基板による BCM の冷却が 少ないということ（RØBA が非常に大きいので） 、そして冷却のほとんどがケースを通して行われるとみ なされます（従って RØCA ができる限り小さい状態が望ましい）。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 多くの場合、プリント基板を経て行われる放熱は少量ですので、これは、全体の放熱量にマージンを 提供し、使用可能な電力を増加するでしょう。BCM のケースと雰囲気との熱抵抗（RØCA）は、ケース の表面積（BCM 固有の） 、及び、ケースに沿って通過する空気量（アプリケーションとシステムのファ ン能力の関数である）の関数です。 ヒートシンクのオプション RØCA を減少させるための方法として、BCM のケースの有効表面積を増加することは重要です。これは、 Fig.2 に示されるように、ケースの表面上にヒートシンクを加えることによって可能になります。プリ ント基板を通しての放熱がない場合の BCM の熱抵抗モデルは、Fig. に示されます。 Figure2 ヒートシンクを実装 することにより 有効面積を増やし、 熱抵抗 RØCA を減少させる Figure3 実装するプリント基板からの 放熱経路（RØJB、RØBA）を 省略している。 （ヒートシンク使用） TA TC TJ }RØ }R Ø CA JC TA TC Mold Junction TJ PCB Mold vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 ヒートシンクには 2 種類の高さ（Fig.：.mm,Fig.：mm）、2 種類の風向き方向（Fig.：横方 向 ,Fig.7：縦方向）が用意されています。これらのヒートシンクには、あらかじめ放熱シート（BCM とヒートシンクの間を適切に密着させ、熱的な伝導に優れている）が取り付けられています。それらは、 2 つのスプリング付きプッシュピン（表面圧力 0.kg/cm2）によって固定されます。プッシュピンは、 プリント基板の厚さ（. ∼ .mm）に合わせるために、 種類の長さをご用意しています。プリ ント基板のレイアウトを含むさらに多くの情報については、Vicor のウェブサイト（http://www. vicorpower.jp/）を参照ください： Figure4 高さ mm ヒートシンク Figure5 高さ mm ヒートシンク Figure6 縦方向フィンのヒートシンク Figure7 横方向フィンのヒートシンク 測定方法 ヒートシンクなしの BCM のケースと雰囲気間の熱抵抗 RØCA を決定するために、風洞の中で風速を変 化させて、赤外線イメージングカメラを使用してケース温度測定が行っています。テストの間、BCM は外層銅箔 70 μ m、及び内層銅箔 0 μ m から成る評価用の 層基板に実装されます。周囲温度（TA） は、恒温槽の中に設置された熱電対を用いて測定されます。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 ヒートシンクなしの赤外線イメージを、Fig.8 に示します。ヒートシンクを加えることは、ケースを横 断して均等に熱を伝え、その結果、特定のエリアでの熱的な集中が少なくなります。測定の基準点は、 ケース上の最も温度の高いポイントです。その場所は、モデルによって異なります。ヒートシンクを 実装しない状態でのケース温度の測定を熱電対を使用して行う際、熱電対を取り付けるポイントを決 定するための参照として赤外線イメージを使用してください。各モデルの個々の赤外線イメージは、 以降の該当セクションに示します。 Figure8 ヒートシンク無しの ケース表面のサーマルイメージ サーマルディレーティングカーブ 与えられた環境の中で安全に動作可能な出力電力レベルを決定するために、サーマルディレーティン グカーブがユーザーに提供されています。モールドされた内部の部品が 2˚C のジャンクション温度 （TJ）を超えないことを保証するために、BCM のケース温度は 00˚C に制限して下さい。 ケースと雰囲気間の熱抵抗 RØCA と、風速との関係を決定するために、ヒートシンクなし、高さ .mm ヒートシンク、及び高さ mm ヒートシンクの、風向き方向 0 度および 0 度それぞれについて測定 を行っています。0 度の方向について、空気流は前面から後方に流れ、そして縦方向フィンのヒート シンクが使用されています（Fig.） 。反対に 0 度方向では、気流は側面から反対側の側面に流れ、そ して横方向フィンのヒートシンクが使用されています（Fig.0） 。 Figure9 風向き 0˚ には 縦方向フィンを使用 BCM Input Airflow BCM Output vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 Figure10 風向き 0˚ には BCM Input 横方向フィンを使用 Airflow BCM Output 測定結果から得られた熱抵抗カーブは、Fig.、及び Fig.2 に示します。特定の熱抵抗のカーブにつ いて、該当する箇所を参照ください。熱抵抗カーブから、最大許容損失レベルは与えられた周囲温度 と気流について、下記によって決定されます : 式 2： （TCASE(max) − TA） PDIS（max）＝ RØCA PDIS（max）は許容される BCM の最大電力損失 TCASE（max）は許容される最大ケース温度（BCM については 00˚C） TA は周囲温度（˚C） RØCA は与えられた空気流とヒートシンクについてのケースと雰囲気間の熱抵抗 各 BCM について、最大許容損失はその効率に基づく出力電力レベルと対応するでしょう。これらの レベルは、最悪条件での効率 vs. 負荷データに基づいて決定され、そして 8V 入力 BCM の各々につい て様々な気流レベルでの周囲温度の関数としてプロットされます。結果は、以降のページで示されます。 なお、最悪条件での値はデータシート上に示される標準値（Typ.）とは異なります。実際に使用する環 境条件と温度試験でのセットアップとの間には通常相違がありますので、BCM のケース温度が最終的 なシステムの中で 00˚C を超えないことを確認する必要があります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 Figure11 ケース・雰囲気間熱抵抗 RØCA vs Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation 風速（8V 入力 BCM、風向 0˚） Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Figure12 ケース・雰囲気間熱抵抗 RØCA vs 風速（8V 入力 BCM、風向 0˚） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 ヒートシンクの選択方法 以下の手順は、既知の最大周囲温度、及び空気流について与えられた電力レベルで BCM を動作させ るのにどのヒートシンクが必要とされるかを決定するために使用できます。 を決定する ） ˚C） ）最大周囲温度 TA（max（ 2）利用可能な最大風速 AFmax（LFM）およびシステムにおいて空気流の流れる方向を決定する ）必要とされる最大出力電力 Pout（max）を決定する ）使用する BCM と空気流の方向についてのディレーティングカーブを含んでいるセクションを探し ます 「ヒートシンクなし（No Heat sink） 」のグラフからスタートします。TA（max）および AFmax に該当す ） るグラフのポイントを探します。もしもその出力電力が Pout（max）よりも大きい場合、ヒートシンク なしの構成が可能ですが、そうではない場合は ）へ進んでください。 「高さ .mm ヒートシンク（.mm Heat sink）」のグラフにおいて、TA（max）および AFmax に該当す ） るグラフのポイントを探します。もしもその出力電力が Pout（max）よりも大きい場合、高さ .mm ヒートシンクの使用が可能ですが、そうではない場合は 7）へ進んでください。 「高さ mm ヒートシンク（mm Heat sink）」のグラフにおいて、TA（max）および AFmax に該当す 7） るグラフのポイントを探します。もしもその出力電力が Pout（max）よりも大きい場合、 高さ mm ヒー トシンクの使用が可能ですが、そうではない場合は Pout（max）での動作を行うために風速を増加しな ければならないでしょう。 放熱設計例 B08F20T0（入力 8V/ 出力 2V BCM）を、気流方向 0 度、風速 00LFM、出力 20W の条件で 動作させる事例について検討してみます。最大周囲温度 TA（max）は 0˚C です。 まず、B08F20T0 の「ヒートシンクなし」、気流方向 0 度のグラフ（Fig.）から始めます。風速 00LFM、周囲温度 0˚C での最大出力電力は 7W です。この値は要求された 20W よりも低いので、 ヒートシンクが必要とされることが分かります。 「高さ .mm ヒートシンク」グラフ（Fig.）に移動し、風速 00LFM、周囲温度 0 ℃での最大出力 電力は 20W です。この値は要求された 20W よりも大きいので、高さ .mm ヒートシンクを風速 00LFM 条件で使用することはこのアプリケーションでは適切です。 ヒートシンクを使用することが望ましくないアプリケーションも考えられます。風速を増加し形状を 大きくすることと、出力電力を低減することとの間に常にトレードオフがあります。最終のアプリケー ションについて最良の決定を行うために、これらのグラフを利用することを推奨します。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 （風速 200LFM ≒ m/sec） Figure13 2V 出力 BCM 12 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 温度ディレーティングカーブ Pout （ヒートシンクなし） 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 60 70 Ambient Temperature Figure14 2V 出力 BCM Pout 温度ディレーティングカーブ （.mm ヒートシンク使用） 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 12 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 Ambient Temperature vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 温度ディレーティングカーブ目次 B048F030T21 10 - 11 B048F040T20 12 - 13 B048F060T24 14 - 15 B048F096T24 16 - 17 B048F120T30 18 - 19 B048F160T24 20 - 21 B048F240T30 22 - 23 B048F320T30 24 - 25 B048F480T30 26 - 27 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 of 27 Application Note AN:008 B048F030T21 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 3 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 250 225 200 200 175 175 150 150 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 125 100 50 25 20 30 40 50 60 0 70 3 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow Ambient Temperature (°C) Pout 175 150 125 25 0 20 30 40 50 60 70 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 200 50 10 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow 225 75 0 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 0˚ airflow 100 LFM 0 200 400 600 800 75 Ambient Temperature 250 3 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 225 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation LFM 0 200 400 600 800 80 60 40 20 0 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -20 -40 -60 10 20 30 40 50 60 0 70 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 10 of 27 Application Note AN:008 B048F030T21 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 3 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow 250 225 200 200 175 175 150 150 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 3 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow 250 225 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 20 30 40 50 60 0 70 10 Power derating with no heat sink, 90˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout 175 150 125 LFM 0 200 400 600 800 50 25 0 50 60 70 100 200 75 40 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 225 100 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow 3 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 250 20 Ambient Temperature Ambient Temperature 75 50 25 0 Heatsink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 11 of 27 Application Note AN:008 B048F040T20 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 4 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 225 200 175 175 150 150 125 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 4 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow 225 200 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 20 30 40 50 60 0 70 0 10 Power derating with no heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) 175 Pout 150 125 100 LFM 0 200 400 600 800 50 25 40 50 60 70 Maximum Ambient Temperature for Full Load operation, 0° Airflow 100 200 75 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow 4 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 225 20 Ambient Temperature Ambient Temperature 0 75 50 25 0 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 10 20 30 40 50 60 0 70 200 Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Ambient Temperature Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 12 of 27 Application Note AN:008 B048F040T20 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 4 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow 225 225 200 200 175 175 150 150 125 125 Pout Pout 4 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 20 30 40 50 60 0 70 0 10 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 90˚ airflow 100 Ambient Temperature (°C) 225 200 175 Pout 150 125 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 30 40 50 60 70 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow 4 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 100 20 Ambient Temperature Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 75 50 25 0 Heatsink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 0 10 20 30 40 50 60 0 70 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 13 of 27 Application Note AN:008 B048F060T24 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 6 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 250 225 200 200 175 175 150 150 125 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 6 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 225 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 20 30 40 50 60 0 70 0 10 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout 175 150 125 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 40 50 30 40 50 25 0 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -25 50 60 70 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 70 75 -50 20 60 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 200 100 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow 6 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 225 20 Ambient Temperature 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 14 of 27 Application Note AN:008 B048F060T24 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 250 250 225 225 200 200 175 175 150 150 Pout Pout 6 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 6 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 20 30 40 50 60 0 70 10 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 90˚ airflow 100 Ambient Temperature (°C) 225 200 Pout 175 150 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 30 40 50 60 70 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow 6 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 250 20 Ambient Temperature Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 75 50 25 0 Heatsink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Ambient Temperature Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 15 of 27 Application Note AN:008 B048F096T24 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 9.6 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 250 225 200 200 175 175 150 150 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 10 9.6 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 225 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 20 30 40 50 60 0 70 10 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) 200 Pout 175 150 125 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 40 50 60 70 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 225 100 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow 9.6 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 20 Ambient Temperature 80 60 40 20 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 0 -20 0 10 20 30 40 Ambient Temperature 50 Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 60 70 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 16 of 27 Application Note AN:008 B048F096T24 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 9.6 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow 250 9.6 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow 250 225 225 200 200 175 175 150 150 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 10 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 125 20 30 40 50 60 0 70 0 10 Power derating with no heat sink, 90˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout 175 150 125 LFM 0 200 400 600 800 50 25 50 60 70 100 200 75 40 Maximum Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 225 100 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow 9.6 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 250 20 Ambient Temperature Ambient Temperature 80 60 40 20 Heatsink None 6.3 mm 11 mm 0 -20 0 0 10 20 30 40 50 60 0 70 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at Full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 17 of 27 Application Note AN:008 B048F120T30 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 12 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow Pout Pout IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 12 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 30 40 50 60 70 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow 12 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 0˚ airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature Ambient Temperature LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at Full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 18 of 27 Application Note AN:008 B048F120T30 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 12 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow Pout Pout IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 12 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 Ambient Temperature 12 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 100 LFM 0 200 400 600 800 10 20 30 40 50 60 70 50 60 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 50 25 0 Heatsink None 6.3 mm 11 mm -25 70 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 40 75 -50 0 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 90˚ airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at Full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 19 of 27 Application Note AN:008 B048F160T24 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink 16 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 250 225 200 200 175 175 150 150 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 125 100 10 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 0 16 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 225 Pout Pout Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 20 30 40 50 60 0 70 0 10 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) 200 175 Pout 150 125 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 40 50 60 70 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 225 100 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow 16 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 250 20 Ambient Temperature 80 60 40 20 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 0 -20 0 0 10 20 30 40 50 60 0 70 200 Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Ambient Temperature Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 20 of 27 Application Note AN:008 B048F160T24 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 16 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow 250 250 225 225 200 200 175 175 150 150 Pout Pout 16 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow 125 LFM 0 200 400 600 800 100 75 50 25 0 0 10 125 100 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 20 30 40 50 60 0 70 0 10 Power derating with no heat sink, 90˚ airflow 100 Ambient Temperature (°C) 250 225 200 Pout 175 150 125 LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 30 40 50 60 70 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow 16 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 100 20 Ambient Temperature Ambient Temperature Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 80 60 40 20 Heatsink None 6.3 mm 11 mm 0 -20 0 10 20 30 40 50 60 0 70 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 21 of 27 Application Note AN:008 B048F240T30 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 24 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow Pout Pout IR image, 0˚ airflow; Full load, 400 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 24 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0°Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 24 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 10 20 30 40 50 60 70 50 60 70 75 50 25 0 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 200 Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Ambient Temperature vicorpower.jp 40 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 LFM 0 200 400 600 800 0 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 0˚ airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature Ambient Temperature Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 22 of 27 Application Note AN:008 B048F240T30 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 24 V BCM Power Derating No Heatsink, 90° Airflow Pout Pout IR image, 90˚ airflow; Full load, 400 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 24 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 Ambient Temperature 30 40 50 60 70 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 24 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 100 Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 90˚ airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature LFM 0 200 400 600 800 80 60 40 20 Heatsink None 6.3 mm 11 mm 0 -20 -40 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 23 of 27 Application Note AN:008 B048F320T30 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 9 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 32 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Pout Pout IR image, 0˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 70 32 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 Ambient Temperature 32 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 10 20 30 40 50 60 70 50 60 70 80 60 40 20 0 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -20 -40 -60 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow vicorpower.jp 40 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operating, 0° Airflow 100 LFM 0 200 400 600 800 0 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 0˚ airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 24 of 27 Application Note AN:008 B048F320T30 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 12 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 10 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow(LFM) 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 32 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow 32 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow Pout Pout IR image, 90˚ airflow; Full load, 200 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 LFM 0 200 400 600 800 0 10 Ambient Temperature Power derating with no heat sink, 90˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout 100 LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 40 50 60 70 50 60 70 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 75 50 25 0 Heatsink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow 32 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 25 of 27 Application Note AN:008 B048F480T30 0˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 0° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 12 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 10 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Thermal impedance vs. airflow, 0˚ orientation 48 V BCM Power Derating No Heat Sink, 0° Airflow Pout Pout IR image, 0˚ airflow; Full load, 400 LFM, no heat sink LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 70 48 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 0° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 48 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 0° Airflow 10 20 30 40 50 60 70 50 60 70 75 50 25 0 Power derating with 11 mm heat sink, 0˚ airflow Heat Sink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 Ambient Temperature vicorpower.jp 40 Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 0° Airflow 100 LFM 0 200 400 600 800 0 30 Power derating with 6.3 mm heat sink, 0˚ airflow Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 0˚ airflow 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 20 Ambient Temperature Ambient Temperature 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 26 of 27 Application Note AN:008 B048F480T30 90˚ Airflow （風速 200LFM ≒ m/sec） Thermal Impedance vs. Airflow 90° Orientation Case to Ambient Thermal Impedance (C/W) 12 Heat Sink None 6.3 mm 11 mm 10 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Airflow(LFM) IR image, 90˚ airflow; Full load, 400 LFM, no heat sink Thermal impedance vs. airflow, 90˚ orientation 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 48 V BCM Power Derating 6.3 mm Heat Sink, 90° Airflow Pout Pout 48 V BCM Power Derating No Heat Sink, 90° Airflow LFM 0 200 400 600 800 0 10 20 30 40 50 60 70 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 LFM 0 200 400 600 800 0 10 Ambient Temperature 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 30 40 50 60 70 Power derating with 6.3 mm heat sink, 90˚ airflow Maximum Ambient Temperature for Full Load Operation, 90° Airflow 48 V BCM Power Derating 11 mm Heat Sink, 90° Airflow 100 Ambient Temperature (°C) Pout Power derating with no heat sink, 90˚ airflow 20 Ambient Temperature LFM 0 200 400 600 800 75 50 25 0 Heatsink None 6.3 mm 11 mm -25 -50 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 Ambient Temperature Power derating with 11 mm heat sink, 90˚ airflow vicorpower.jp 400 600 800 1000 1200 Airflow (LFM) Maximum temperature at which device can be operated at full load アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:008 27 of 27 Application Note AN:009 V·I Chip Soldering Recommendations V·I Chip 半田付け推奨条件 By Paul Yeaman Principal Product Line Engineer V•I Chip Strategic Accounts 目次 Page はじめに V ･ I Chip はリフロー半田による実装を対象としています。ここでは、プリント基板に実装するにあたっ はじめに 1 保管 1 半田ペースト用 メタルマスク 1 自動マウンティング 1 半田リフロー 1 225ºC リフロー方法 1 208ºC リフロー方法 3 検査 4 半田付け後の V ･ I Chip の除去 4 て必要とされる半田付け条件について説明します。これらの推奨事項を順守しない場合、製品の機能的、 もしくは外観上の不具合を引き起こす可能性がありますのでご注意下さい。 保管 V ･ I Chip は、アセンブリ前の保管の間、乾式真空バッグに梱包されています。V ･ I Chip を乾式真空バッ グから取り出し、リフロー工程にて半田付けされるまでの保管湿度条件、及び保管可能時間の規定を 順守願います。規定の時間を超えて雰囲気にさらされた場合はベーキングが必要となります。 半田ペースト用メタルマスク 無洗浄、もしくは水洗浄可能なペースト半田（6/7SnPb）を使用して下さい。実装する製品がその最 大ケース温度を超えずに安全にリフローすることが重要です。鉛フリーの半田付け条件については、 現在評価中です。半田ペーストの最小の厚さは、6mil（＝ 5 μ m）です。ステンシルのアパーチャ（開 口度）は、0.9： です。 自動マウンティング V ･ I Chip は、± 5mil（± 7 μ m）以内に置いて下さい。配置ポジションを維持するために、実装す る製品は、マウンティングとリフローとの間、.7m/sec（≒ .G）を超える加速度が印加しないで 下さい。マウンティングプロセスの間、製品へのダメージを回避するために、実装に関わる全ての作 業員と装置は適切な静電気対策を施して下さい。 半田リフロー 耐湿性レベル（MSL）とリフロー温度は、製品によって変わります。扱う製品の適切な MSL とリフロー の定格について、個々の製品のデータシートをご参照下さい。 225ºC リフロー方法 データシート、及びこのアプリケーションノートで提供された情報は、V ･ I Chip についての評価に基 づいています。ユーザーが半田付け処理を行う際には、実際に温度プロファイルの確認が必要です。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:009 of 4 Application Note AN:009 リフロー工程には つの重要な温度、すなわち半田接続部温度と V ･ I Chip のケース温度があります。 半田接続部の温度は、最高 0 秒間 5˚C に達することを許容します。V ･ I Chip のケース温度はリフ ローの間 5˚C を超えないようにして下さい。ケースと J リードとの間に必要とされる温度差 Δ T のために、強制換気対流のオーブンがリフロー半田工程に推奨されます。このリフロー方式は、一般 にプリント基板から半田接続部へ熱を伝達します。同じく V ･ I Chip の大きな質量は、その温度上昇を 減少させます。この他のタイプのリフロー方式（Vapor Phase、IR 等）は、V ･ I Chip の使用について は評価されていないため、リフロー工程において V ･ I Chip の最大ケース温度が規定値を超えないこと を調査する必要があります。 リフローのステップにおいて、V ･ I Chip を実装するアセンブリ製品は 00 ∼ 50˚C に予熱され、半 田ペーストの溶媒を蒸発させるために最低 分間保持されます。次のステージは、フラックスの活性 化が発生する浸透ゾーンであり、そしてそのフラックスは表面上の酸化物、及び汚染物質と反応します。 そのアセンブリはその後、液相線温度 8˚C 以上になります。液相線（8˚C）以上の理想的な時間は 60 ∼ 90 秒です。適切な温度プロファイルを達成するために、リフロー炉のピーク温度、及びベルト スピードは、半田付け工程を通過するアッセンブリのトータルの質量に基づいて決定されます。 Figure1 5˚C PbSn V ･ I Chip リフロープロファイル 最終段階は冷却です。ゆっくり温度を下げることは、半田接続部において更に優れた結晶粒組織を生 み出します。Fig. は、SnPb 共晶半田（または、同等の半田）のリフローにおいて使用される典型的な リフロープロファイルを示します。リフローの後で、フラックス残留物は、V ･ I Chip の J リードの間 から除去して下さい。残留物が残った場合、時間の経過とともにこの残留物は電気的に伝導性となり V ･ I Chip 故障の原因となる可能性があります。 V ･ I Chip は、最大ケース温度 5˚C で最高 回さらされる場合があります。繰り返しになりますが、 リフロー工程にて半田付けされるまでの保管湿度条件、及び保管可能時間の規定を順守願います。規 定の時間を超えて雰囲気にさらされた場合はベーキングが必要となります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:009 of 4 Application Note AN:009 208ºC リフロー方法 データシート、及びこのアプリケーションノートで提供された情報は、V ･ I Chip についての評価に基 づいています。ユーザーが半田付け処理を行う際には、実際に温度プロファイルの確認が必要です。 リフロー工程には つの重要な温度、すなわち半田接続部温度と V ･ I Chip のケース温度があります。 リフローの間、V ･ I Chip のケース温度は 08˚C を超えないよう注意頂くとともに、半田接続部の温 度は少なくとも 5˚C には達するべきです。ケースと J- リードとの間に必要とされる温度差Δ T のた めに、強制換気対流のオーブンがリフロー半田工程に推奨されます。このリフロー方式は、一般にプ リント基板から半田接続部へ熱を伝達します。同じく V ･ I Chip の大きな質量は、その温度上昇を減少 させます。 Figure2 08˚C PbSn V ･ I Chip リフロープロファイル リフローのステップにおいて、V ･ I Chip を実装するアセンブリ品は 00 ∼ 50˚C に予熱され、半田 ペーストの溶媒を蒸発させるために最低 分間保持されます。次のステージは、フラックスの活性化 が発生する浸透ゾーンであり、そしてそのフラックスは、表面上の酸化物、及び汚染物質と反応します。 そのアセンブリはそれから、液相線温度 8˚C 以上になります。液相線（8˚C）以上の理想的な時間 は 60 ∼ 90 秒です。適切な温度プロファイルを達成するために、リフロー炉のピーク温度、及びベル トスピードは、半田付け工程を通過するアッセンブリのトータルの質量に基づいて決定されます。最 終段階は冷却です。ゆっくり温度を下げることは、半田接続部において更に優れた結晶粒組織を生み 出します。Fig. は、SnPb 共晶半田（または、同等の半田）のリフローにおいて使用される典型的なリ フロー・プロファイルを示します。 リフローの後でフラックス残留物は、V ･ I Chip の J ｰリードの間から除去して下さい。残留物が残っ た場合、時間の経過とともにこの残留物は電気的に伝導性となり V ･ I Chip の故障の原因となる可能性 があります。V ･ I Chip は、最大ケース温度 08˚C で最高 回さらされる場合があります。繰り返しに なりますが、リフロー工程にて半田付けされるまでの保管湿度条件、及び保管可能時間の規定を順守 願います。規定の時間を超えて雰囲気にさらされた場合はベーキングが必要となります。 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:009 of 4 Application Note AN:009 検査 リフロー工程の後でパッケージと半田接続部双方の検査を行って下さい。パッケージの検査では、以 下の症状がないことを確認します： ・V ･ I Chip パッケージからの半田の噴出（突出し） ・V ･ I Chip 本体から J ｰリードの分離 ・J ｰリードのダメージ、もしくは剥離 上記の症状は、リフロー工程において、V ･ I Chip 本体が最大温度規定を超えたことを示しています。 J ｰリードの半田接続部については、半田フィレットの形成具合、半田濡れ性等々について確認を行い ます。 ・Fig. に示されたように、適切に濡れたフィレットがはっきりと確認されること。 ・基底部のフィレットの高さは、リードの厚さと半田の厚さを超えること。 J ｰリードが平らな状態でプリント基板に載らないことに注意して下さい。この理由のために、半田フィ レットはリードの下で形成されるため、フィレット基底部は J ｰリードの側面で上方に伸びない可能性 があります。 半田付け後の V ･ I Chip の除去 V ･ I Chip は、Air-Vac（http://air-vac-eng.com/index.html）によって作られた特別な工具を使用して プリント基板から取り外すことができます。これらの工具は、引っ張り力（真空ポンプを使用）を V ･ I Chip に印加している間に、熱っせられたガスによってプリント基板上の局所的な部分を加熱します。 プリント基板の反りと同様にコンポーネントの加熱時間を減少するために、V ･ I Chip の加熱と除去の 前に、ボード全体を 80 ∼ 00˚C に加熱することが望ましく、付近に湿気に敏感なコンポーネントが ある場合、その部品へのダメージを防ぐために、V ･ I Chip の除去の前に 5˚C のベーキングをるこ とを推奨します。このような加熱による除去プロセスは、V ･ I Chip の内部を損傷しますので、V ･ I Chip は除去プロセスの後で再度使用することはできません。 Air-Vac-type の装置を使用したリフローは、そのモジュールの温度が高くなるため推奨されません。 Figure3 V・I Chip J ｰリードの半田付け状態 vicorpower.jp アプリケーション・エンジニアリング部 Rev. 1.0 03-5487-5407 AN:009 of 4 〒141-0031 東京都品川区西五反田 8-9-5 ポーラ第 3 五反田ビル 6F TEL：03-5487-3884（営業部） 03-5487-5407（アプリケーションエンジニアリング部） FAX：03-5487-3885 www.vicorpower.jp V・I Chip アプリケーションノート Vol.1 2007.4