半導体業界初心者向け　電源ICとは？

半導体業界に新しく足を踏み入れた方や、電子機器の基礎技術を学びたい方に欠かせない知識の一つが「電源IC」です。私たちの生活を支えるスマートフォンやPC、家電製品といったあらゆる電子機器の心臓部で「電力」を司るこの部品は、製品の安定稼働を支える重要な役割を担っています。

本記事では、電源ICの基本機能や種類、最新の技術動向について、初心者の方にも分かりやすく解説していきます。

電源ICとは、電子機器が必要とする電力を安定的に供給する機能を持つ集積回路のことです。例えば、家庭用コンセントやバッテリーから供給される電力を、家電製品やパソコン、スマートフォンなどの各機器が正常な状態で動作するために、適切な電圧や電流に調整して供給する役割を担っています。

スマートフォンなどの充電に使うUSB充電器を例にとると、AC100V（交流）を整流器や平滑回路を介して直流電圧に変換します。その後、USB規格に沿った電圧を出力するために、電源ICを使って特定の電圧に安定化させて出力します。

なお、市場で一般的に流通している電源ICにはDCDCコンバータと呼ばれる直流電源の電圧を変換するための装置や部品（リニアレギュレーター、スイッチングレギュレーターなど）があります。また、ACDCコンバータと呼ばれるコンセントなどの交流電圧（AC）を、電子機器で使える直流電圧（DC）にするための部品（スイッチングレギュレーター）もあります。

電源ICの主要な役割は、入力電圧の変動や接続される機器（負荷）が消費する電流の変動にかかわらず、機器の動作に必要な安定した電圧を供給することです。これにより精密な電子回路の誤動作を防ぎます。

一般的に電子機器の電源系統は電圧が一定ではありません。例えば、バッテリーで駆動する機器の場合、バッテリーから消費された電流により残量が減少すると入力電圧は徐々に低下します。また、機器内部のCPUなどが高負荷で動作し消費電流が急激に増減すると、一時的に出力電圧が変動することもあります。

このような変動は、微細な半導体で構成されるCPUやマイコンなどの精密な電子回路にとっては、誤動作や性能低下の原因となります。そのため、入力変動や出力負荷によらず出力電圧を一定に保つ制御を行う電源ICが必要となります。

バッテリー駆動のモバイル機器、PC、IoT（モノのインターネット）デバイス、そして車載用途まで、電源ICは多様な電子機器の内部で電力供給の最適化を担っており、幅広いアプリケーションで使用されています。下図は家庭用コンセントから電源供給することを想定したパソコンの簡易的な電源構成図です。電源ICの用途について、電源系統をもとにリニアレギュレーターや降圧、昇圧スイッチングレギュレーターの活用例について紹介します。

コンセントから供給されるAC電源（例：AC100V）はACDCにより直流電圧（例：DC16V）に変換されます。その後、内部ではCPUやGPU・オーディオ回路など各部品が搭載されており、降圧スイッチングレギュレーターやリニアレギュレーターなどにより複数の異なる電圧（例：1.2V、2.85V）を作り出す必要があります。また、ディスプレイのバックライト(LCD パネル)の駆動には高い電圧（例：30.0V）が必要となる場合があり、その時は昇圧スイッチングレギュレーターが使用されます。パソコンのように多機能な製品では、複数の電源ICが連携して各部品に最適な電力を供給して動作させる必要があります。次に入力電圧が変動するようなエナジーハーベスト（環境発電）など、IoT向け環境測定基板を例に、昇降圧スイッチングレギュレーターの活用例について紹介します。