この章では、さまざまなアプリケーションに必要な回路設計の種類を含め、電源管理の基本を学びます。また、電源管理集積回路（PMIC）とは何か、そして今日の多機能なPMICがなぜ様々な種類の電圧レギュレータを置き換えることができるのかについても学びます。

         
電源に関する基礎知識を習得する
     

特定のデバイスまたは電子システムに必要なDC電源管理サブシステムの種類は、そのデバイスまたはシステムの電源によって異なります。考えられる電源には、AC、バッテリー、DC、および超低電力DC（エネルギーハーベスティング）などがあります。バッテリー駆動の電子機器の大部分は、リチウムイオン（Li-ion）またはリチウムポリマー（LiPo）バッテリーを使用しています。バッテリーパックには、直列または並列に接続された複数のセルが含まれる場合があります。図1-1にいくつかの例を示します。

各接続構成における電圧および電流の性能を以下に示します。

• 直列セルバッテリーパックの電圧を上昇させ、バッテリーパック全体の容量を増加させることができます。

• 並列接続されたバッテリーバッテリーパックの電圧を上げることはできませんが、バッテリーパック全体の電流制御能力と電流容量を向上させます。

• 直列および並列バッテリー電圧と電流の制御能力、および電流容量を同時に向上させることができる。

         

バッテリー駆動のアプリケーションによっては、システムコンポーネントがバッテリー電源を直接使用できない場合があります。これらのコンポーネントは、正常に動作するために、より低い電圧またはより高い電圧を必要とする場合があります。充電および放電プロセス中、バッテリーの電圧も変化します。DC-DCコンバータを使用すると、この調整されていないバッテリー入力電圧を監視し、安定させることができます。これらのコンバータは、必要に応じて電圧を増減または調整できるため（図1-2参照）、電圧レギュレータと呼ばれることが多く、調整された電圧をシステムサブコンポーネントに供給します。

DC-DCレギュレータには、入力グランドが出力グランドに接続されているかどうかに応じて、絶縁型と非絶縁型があります。

• 絶縁型コンバータ入力電圧と出力電圧を分離するために使用され、通常は変圧器または容量性電力伝送を用いる。

• 非絶縁型コンバータ入力グランドと出力グランドを結ぶ直流経路があり、入力グランドと出力グランドの接続は共有されている。

         

DC-DC電圧レギュレータの分類
     

DC電圧レギュレータは、電圧変換方式に基づいて、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの2種類に分類されます。これらは、カメラ、携帯電話、ウェアラブルデバイス、コンピュータなどの電子機器で使用される基本的な電圧レギュレータです。設計エンジニアは、入力電圧、出力電圧、および必要な電流負荷に基づいて、システム設計に適したDCレギュレータを選択します。

リニア・レギュレータ
   

リニアレギュレータは入力電圧（V）を変換します_IN) は異なる出力電圧 (V) に変換します_OUT出力電圧Vを調整するために線形コンポーネント（すなわち抵抗コンポーネント）を使用する。_OUT線形レギュレータの一般的な特徴：

• 電気エネルギーを放散する。

• 低電流・低電力レールでの使用を想定しています。

• 非効率的だ。

• 低ノイズ電源向け。

• リップルとノイズが低い特性を持つため、センサーや位相同期ループなどの高感度アナログ集積回路に適しています。

リニアレギュレータにおいて重要なタイプの一つは、低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレータである。_INとV_OUT差が非常に小さい場合、LDOは安定したVを連続的に出力できます。_OUT。

スイッチング電圧レギュレータ
   

スイッチングレギュレータは、スイッチング素子を介して電圧Vを変換します。_IN別のVへ_OUT外部インダクタとコンデンサを使用して出力電圧Vを安定させる_OUTスイッチングレギュレータは一般的に、リニアレギュレータよりも効率が高く、より高い出力電流に対応できます。しかし、出力が安定化された後、フィルタリング処理後であっても、リップルノイズやスイッチングノイズが残ります。

入力電圧と出力電圧の関係に基づいて、スイッチングレギュレータは以下のように分類されます。

• バックスイッチングレギュレータ：V_OUT V以下_IN

• 昇圧スイッチングレギュレータ：V_OUT V以上_IN

• バックブーストスイッチングレギュレータ：V_OUT 変数、Vより小さい、大きい、または等しい_IN

上記は、設計エンジニアが一般的に使用する4種類の電圧レギュレータのトポロジーです。LDOと3種類のスイッチングレギュレータ（バック、ブースト、バックブースト）です。以降のセクションでは、これら4種類の電圧レギュレータについて詳しく説明します。

LDO電圧レギュレータ
   

低ドロップアウトリニアレギュレータは、電源電圧と出力電圧が非常に近い場合に出力電圧レベルを安定化するDCリニアレギュレータです。LDOの場合、電力損失を最小限に抑え、システム効率を最大化するために、ドロップアウト電圧はできるだけ小さくする必要があります（図1-3参照）。

         

LDO（低ドロップアウトレギュレータ）は、一般的にスイッチングレギュレータよりも高い電源電圧変動除去比（PSRR）を持つため、低ノイズの出力電圧を生成できます。LDOは通常リップルを発生させないため、入力電源のノイズやリップルを低減するのに非常に有効です。また、LDOは待機電流消費量が少ないため、ポータブル機器やワイヤレス機器に最適なソリューションです。

バックコンバータ
   

こちら 降圧型「下げる」または「弱める」という意味です。バックコンバータは、V未満を効率的に出力する小型スイッチングレギュレータです。_IN のV_OUTバック回路は、インダクタ、スイッチング電界効果トランジスタ（FET）またはダイオード、コンデンサ、およびスイッチング制御回路を備えた誤差増幅器で構成されています（図1-4参照）。バックコンバータは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）のオン時間を変更し、センサに電力を供給します。バックコンバータは、MOSFETが完全にオンか完全にオフかのどちらかであるため、効率が高くなります。リニアレギュレータとは異なり、バックコンバータはオン状態とオフ状態（インピーダンス状態）の間では動作しません。

         

バックコンバータはパルス幅変調（PWM）モードまたはパルス周波数変調（PFM）モードでスイッチング波形を生成し、その後、外部インダクタとコンデンサのフィルタコンポーネントを使用してフィルタリングされ、滑らかな出力電圧Vが生成されます。_外。この電圧変換方式は非常に効率的で、バッテリー寿命の延長、システム発熱量の低減、製品サイズの縮小につながります。

降圧コンバータは、USBやその他のコンピュータ周辺機器から電力を供給する多くのアプリケーションで使用されています。また、スマートフォン、タブレット、モバイル機器、その他多くの電子機器にも使用されています。

ブーストコンバーター
   

ブースト ここでは「強化された」という意味です。昇圧コンバータはVを_IN上昇し、Vを生成する_OUT例えば、3.3ボルトのDC入力電圧を5.0ボルトの出力電圧に変換したい場合_OUT昇圧コンバータがあると便利です。この昇圧動作は、多くのリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池の用途で一般的です。

昇圧回路は、降圧回路と同じ構成要素（インダクタ、スイッチング電界効果トランジスタ（FET）またはダイオード、コンデンサ、スイッチング制御回路付き誤差増幅器）を含みますが、接続方法が異なります。昇圧回路も、MOSFETのオン時間を制御してインダクタに電力を供給することで動作します（図1-5参照）。

         

昇降圧コンバータ
   

バックブーストコンバータは、降圧と昇圧を単一のレギュレータに統合したスイッチングモードコンバータです。幅広い入力電圧と出力電圧に対応できます。制御回路はMOSFETのスイッチング時間を調整し、入力電圧を降圧または昇圧して、必要に応じてVを生成します。_OUT（図1-6参照）

         

図1-6に示す標準的なバックブースト型に加えて、Sepic、Cuk、Zetaなどの他のタイプのバックブーストコンバータも存在する。これらのコンバータはVを調整することができる。_OUTVより低い、高い、または等しい_IN。

電源管理集積回路入門
     

PMICは、電圧変換、電圧安定化、バッテリー管理などに用いられる集積回路です。電力系統のシーケンス制御、多様な負荷への電力供給、過電圧、低電圧、過電流、熱障害などに対する保護機能を提供します。

1つのPMICで複数の外部電源を管理し、異なるシステム要件を適切なレギュレータ出力電圧にマッピングできます。また、関連するレジスタ設定やファームウェアを変更するだけで、新しい集積回路（IC）を再設計することなく、さまざまなプロセッサ、システムコントローラ、エンドアプリケーションで使用できます。

PMIC市場は、いくつかの最新トレンドにより急速に成長しています。その一つは、消費者のワイヤレスモビリティへのニーズの高まりです。これにより、小型でバッテリー駆動のデバイスに対する需要が大幅に増加し、図1-7に示すように、より高度に統合された電源管理ソリューションが求められるようになりました。この図は、QorvoのPMICソリューションがいかに部品点数とソリューション全体のサイズを大幅に削減できるかを示しています。

         

同時に、消費者とメーカーは、省エネルギーで環境に優しく、二酸化炭素排出量を削減する製品をますます求めるようになっている。世界的な「グリーン」トレンドにより、効率的な電力管理機能を備えた電子製品への需要が高まり、電力管理は非常に重要かつ人気の高い機能となっている。

オールインワンPMIC
     

今日のPMICが広く使用されている重要な理由の一つは、アプリケーションにおける多くの、あるいはすべての電圧レギュレーション機能を満たすことができる点です（図1-8参照）。これらの汎用性の高いPMICは、ファームウェアによって様々なアプリケーションに合わせてカスタマイズできるため、ハードウェア回路の変更に伴う高コストを削減できます。こうした特長により、アプリケーション間のスムーズな切り替えが可能となり、市場投入までの時間を短縮できます。

         

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