日本テキサス・インスツルメンツは2008年9月、入力電圧が2.3V～5.5Vで出力電圧が1.8VのDC-DCコントローラIC「TPS62601」を発表した。PWM（Pulse Width Modulation）回路のスイッチング周波数は6MHzで、出力電流は最大500mA。パッケージは外形寸法が0.9mm×1.3mmの6端子WCSPである。0.47µHのインダクタを使用でき、実装面積が13mm²で厚さが0.6mmのDC-DCコンバータを構成することができる。次世代携帯電話機におけるI/Oバスの電源電圧を1.8Vまで下げたいという要求に応えるために、PWM回路のアーキテクチャを刷新した製品である。

　現状、携帯電話機では、一般的にI/Oバスの電源電圧として3.3Vが使われている。この3.3Vという電圧は、電池の出力を基に降圧型DC-DCコンバータで生成することになる。携帯電話機では1セルのリチウムイオン電池が使われていることが多く、満充電時の出力電圧は4.2V、通常で3.7V、放電終止電圧が2.3V程度となっている。そのため、DC-DCコンバータで3.3Vを生成するために、電池電圧が3.5V程度まで下がったとき、すなわち電池残量がなくなるかなり前の段階で再充電する必要があった。そこで、電池寿命を延ばすために、I/Oバスの電源電圧を1.8Vに下げたいという市場の要求が生まれた。すなわち、電池の放電終止電圧である2.3Vからでも生成できる電圧でI/Oバスを駆動できるようにしたいということである。TPS62601の下限入力電圧である2.3Vという値と、出力電圧である1.8Vという値はこのような背景から決められた。

　TPS62601の設計上の目標として重要視されたのは、負荷変動に対する高速な応答特性である。同製品がターゲットとする用途では、出力コンデンサの値として4.7µFが利用される。この条件の下、負荷変動に対して高速に応答するDC-DCコンバータを実現するために、0.47µHのインダクタ、6MHzのスイッチング周波数という仕様が決まった。

　負荷変動に対する高速な応答特性を実現する上で、通常のPWM方式が仕組み的に抱える弱点が問題となった。通常のPWM方式では、誤差アンプ、コンパレータ、発振器を用いて負帰還回路を構成する（図1）。この負帰還回路には、発振することなく安定に利用できるようにするために位相補償が施される。すなわち、位相補償回路を追加したり、高周波領域（大きな負荷変動に対応）においてループゲインを抑えたりといったことが行われる。その結果、急激な負荷変動が発生した場合には、デューティを徐々に高めた数発のPWMパルスによって出力電圧を所望の値に戻すという動きになる。そのため、高い応答速度を実現できないのである。

　この問題を解決するために、TPS62601では、従来のPWM方式とは異なるアーキテクチャを採用した。同製品は、誤差アンプや発振器は内蔵していない。1個のコンパレータで実現するPFM（Pulse Frequency Modulation）方式のアーキテクチャと同様に、コンパレータに直接フィードバック電圧を戻す構成としている（図2）。この構成の意味は、系全体を意図的に発振させて使用するということである（発振周波数は6MHz）。すなわち、従来のPWM方式における負帰還回路のように位相補償によって発振を防ぐ必要がない。そして、大きな負荷変動が発生して出力電圧が低下すると、コンパレータからの出力がハイレベルとなり、MOSFETをオンし続ける。この状態は、出力電圧が所望の値（1.8V）になるまで継続するので、高い応答性が得られる。出力電圧が所望の値まで復帰したら、コンパレータがローレベルを出力して通常のPWMパルスを出力するという動作になる。なお、6MHzの発振周波数は図中の周波数制御ブロックにより、コンパレータ出力に遅延を加えることで実現する。スイッチング周波数が固定であるため、通常のPFM方式のように、可聴帯域の周波数ノイズが発生することはない。6MHz動作時には、89％の効率が得られているという。

　TPS62601の自己消費電流は6.5mA（無負荷時）。負荷が軽い場合には、PWM動作からPFM動作に自動的に切り替わる省電力モードも備えている（PWM動作に固定することも可能）。同モードにおける自己消費電流は30µA。シャットダウンモードでの消費電流は1µAである。

　TPS62601はすでに量産出荷中であり、1000個購入時の参考単価は1.45米ドル。評価モジュールの「TPS62601EVM-327」も提供されている。
（飴本 健）