電源設計技術が変わろうとしている

電気電子工学を学んだ後、ロームの門戸を叩いて30年余り。
現在、FAE(Field Application Engineer)として従事する横溝氏は、入社以来一貫としてLSIの商品開発に携わってきました。ヘッドフォンステレオ、携帯電話、USBインターフェース、電子書籍・・・。
民生機器を軸としたその歩みは、まさに日本のエレクトロニクス産業が辿ってきた道そのものと言えるかもしれません。

作ったものは必ず売りたい。言い換えれば売れるものを作る。そんな思いでこれまでさまざまな製品に携わってきたという。このプロジェクトに賭ける意気込みも相当なものだ。

時代に応じた技術や製品で市場を賑わせ、次々と新しいニーズを生み出してきたこの業界。
その一挙一動を目の当たりにしてきた横溝氏が、いま最も力を注いでいるのが、主に産業機器をターゲットとした「あらたな電源ソリューション」の市場導入プロジェクトです。

その核となるブランドの名は＜LogiCoA^TM (ロジコア)＞。

パワーエレクトロニクス分野において、極めて広範囲のアプリケーションに適応するソリューションとして、大きな社会課題である電力活用の高効率化への貢献を目指すというこの技術。
まずは、さまざまな電気機器に不可欠な＜電源装置＞にフォーカスし、ロームが長年にわたって培ってきたアナログ制御電源技術を、一気に別次元へとジャンプアップさせた技術開発が行われてきました。

そのキーとなったのは＜アナログ回路の性能を最大限に発揮させる＞ことを命題とした＜デジタル要素との融合＞です。

デジタル電源をめぐる市場背景

電源制御回路におけるアナログ、デジタルそれぞれの特徴と課題。

上図の比較表からも見て取れるように、主に約50W～1KWの出力を持つ小中電力領域で使用される
＜アナログ制御＞は、高機能化が難しく、大電力領域で使用される＜デジタル制御＞は、高コストで消費電力も大きいという課題がそれぞれに存在します。

市場における製品数の割合でいえば、約7割ともいわれる程の数を小中電力領域占めており、特に産業機器向けの同クラス電源へのニーズは、下図にもあるように右肩上がりの市場規模が予想されています。
アプリケーションとしては、産業ロボット/ファクトリーオートメーションやPC/サーバー等の電源ユニットなどが挙げられますが、前述のように、ほぼ大半がアナログ制御による電源システムが採用されているのが現状です。LogiCoA^TMがまずのターゲットと定めている市場は、まさにこの領域にあたります。

産業機器向けの小中電力領域(約50W～1kW)における電源システム市場規模予測

消費電力とコストの壁

デジタル制御電源では、出力電圧の情報をダイレクトにマイコンに取り込み、常にCPU/DSPを高速動作させてフィードバック制御を行います。そのため非常にハイスペックなマイコンが不可欠となるとともに、消費電力も大きく膨らんでしまうのです。
この「壁」を超えることが、電源に関わるエンジニアにとっての、しいてはパワーエレクトロニクス分野全体の大きな命題と言わざるを得ません。

デジタル制御電源では、出力電圧を一定にするために、マイコンが出力電圧情報をモニターしパワーデバイスを制御している

アナログ電源回路が抱える課題

ここでもうひとつ、アナログ電源ICに携わるエンジニアを悩ませ続けてきた課題を挙げておきましょう。それは＜部品特性のばらつき＞です。電源トポロジーを構成する素子としては、パワーデバイスを筆頭に、ゲートドライバ、抵抗、インダクタ、レギュレータ、などが挙げられますが、それぞれの部品特性のばらつきがアナログ回路自体のばらつきへとつながります。
その対策として設けられるのが＜マージン設計＞であり、アナログ制御においては常に各部品の定格に余裕をもたせた回路設計を強いられてきました。

「チャンスが人を見放すよりも、人がチャンスを見放す方が多い」という言葉を常に意識しているという。どこまでも粘り強く、探究心と向学心を持ち続けることこそがブレイクスルーが生み出される泉源かもしれない。

その課題をデジタルの力で解消させる機能が＜キャリブレーション^※＞です。

装置出荷時に個別に回路や搭載部品のばらつきを補正したデータをマイコンに記憶させ、各種保護機能を適切な値で動作させる機能　

キャリブレーション機能によるインダクタのサイズ削減の一例

設計マージンにとらわれることなく、個々のデバイスの性能、電源回路自体の持つ「潜在能力」をもっと引き出すことで、製品特性を最大化させたいのはやまやまなのだが・・・。
多くのエンジニアが感じていたこのジレンマは、やがて＜アナログ回路の性能を最大限に発揮させる＞ための＜デジタル要素との融合＞という新しいチャレンジへの熱量へと変換されていったのです！

デジタル/アナログの融合へ！

もしこの職種に就いていなくとも「やっぱり、自分で使うような電化製品の開発に携わっていたと思う。」という。根っからのエレクトロニクス・サピエンスなのかもしれない。

この一見矛盾した命題とも受け取れるプロジェクトがロームの中で立ち上がったのが、2020年後半のこと。アナログ/デジタルそれぞれのメリットを如何に融合させるか？という命題に社内外から選りすぐりのエンジニア達が集結。折しも新型コロナの影響で社会全体のスピードが少し停滞しているあいだに、猛スピードで開発が進められました。

黙々と実験作業を行う表情の中にも、本プロジェクトに立ち上げから一貫して関わってきたという自負と責任感が滲み出る。週末は地元横浜のスタジアムでサッカーの応援をしているというアナザー・サイドの顔も拝見してみたいものだ。

マイコン×スイッチング電源

ソリューションの肝となったのは＜汎用マイコンとアナログ回路を相互補完させる＞事ができる回路とプログラムの開発でした。アナログ補償器を経由して送られてくる出力電圧の情報をもとに、パワーデバイスを制御させる信号を発生させていく。
その重要な役目を担うのがローム独自の新技術が詰め込まれた＜LogiCoA^TM電源制御マイコン＞になります。2024年4月よりロームと組織統合されたラピステクノロジーの保有技術とノウハウが存分に発揮されたLogiCoA^TMソリューションの心臓部とも言える存在です。

動的に変動する信号をもとに次の信号を制御するイベント・ドリブン型制御を搭載。2つのトポロジの同時制御を可能にする点も大きな特長である。

ただ、プロジェクト立ち上げ時期においては、アナログ電源とマイコンという同じ半導体業界にあっても離れた領域同士のこともあり、さまざまな戸惑いや躓きもあったといいます。

沖電気～ラピスセミコンダクタの時代から、さまざまな立場でマイコンの発展に関わってきた経験を、なんとしても＜ロームのマイコン＞に活かしたいという思いが強いという。

開発が進むにつれ、電源業界が抱えていたさまざまな課題が見えてきたといいます。たとえばマージン設計や電力効率の問題、ログや通信といった多機能化への対応、システムの流用/シリーズ化やカスタム化・・・。これらの問題をデジタルとの融合によってひとつひとつ紐解いていき、さらにはリファレンスデザインとしてお客さまに幅広く提供出来るというアウトプットが見えたことで、迷いはなくなったといいます。

リファレンスデザインとしてのご提供

ここであらためて2024年4月にリリースされたLogiCoA^TMソリューションの全体像を整理しておきましょう。

●前述でソリューションの心臓部と謳った＜LogiCoA^TM電源制御マイコン＞を核として・・・
●パワーデバイス～アナログ補償器までを回路化した＜電源トポロジー＞、さらに・・・
●ユーザー設計負荷を大きく軽減させる新開発の電源制御用OS＜RMOS（アールモス）＞。

この3つ構成要素を最適化した＜リファレンスデザイン＞としてご提供するのが大きな特徴となります。

お客さまとなる電源メーカー/セットメーカーの設計工数削減に大きく貢献するべく、
オンボード状態でのシミュレーション環境や、さまざまな電源トポロジーに合わせたリファレンスボードの提供もスタートしています。

その導入メリットは多岐にわたり、このページ上ではとても収まらないポテンシャルが満載です。
ぜひ特設ページも併せてご覧ください。

誰がために電源装置は進化する

本プロジェクトにおける最若手のひとりとして八面六臂の活躍を見せる期待のエンジニア。半導体を作ることの楽しさを日々感じながら、それを糧に仕事をしているとのこと。

デジタル導入の具体的なメリットの一例として語ってくれたのは、マイコン/OS側のエンジニアとして開発に従事している瀬端氏。電源装置に深く関わっていく中で、電源メーカー/セットメーカーの方々が日々抱えている圧倒的な設計負荷に気付かされたと言います。

▶パラメーターの設定で出力電圧、起動/停止電圧、過電流保護などの仕様を変更可能
▶ソフトウエアの変更で制御の追加に対応、といった開発設計を手厚くサポートするマイコン導入によって
電源設計そのものが大きく変わっていくことに違いありません。

ロームの強みを市場で活かすために

横溝

「ロームはディスクリートからICまで幅広い商品をご提供しておりますが、ただ、私が何十年もこの電源業界で競合相手にたたかっている中で、どうしても力不足だなと正直感じていたのは、パワー回路自体を制御するコントローラ/MCU分野でした。」

日々、お客さまに近い立場でせする機会の多いFAEの立場から感じる傾向として、個々の製品能力ではなく、回路そのもののの運用までを考えた＜総合的なパワーソリューション＞が求められることが多くなってきているといいます。

＜質実剛健＞を体現したかのような風格と穏やかな佇まい。「休日は犬と戯れています」と話しながら思わず笑みが溢れる。

横溝

「今回開発したこのLogiCoA^TMソリューションがどんどん枝葉を広げていくことで、ロームが得意とするディスクリート製品やアナログICがもっと活きてくる・・・！
強みを活かしたソリューションとしていろんなアプリケーションに提案できると考えています。

まずは、これまでアナログの牙城だった＜小中電力帯の電源装置のすべて＞を
LogiCoA^TM電源ソリューションに置き換えるという野望の達成を目指します！」

大志を抱くのは少年だけの特権である必要はないはずです。ひとりひとりのエンジニアがそれぞれの野望を夢見る、そんな＜ものづくり＞こそが明日の世界を動かすことを信じて。