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スイッチモード電源が機能する仕組み(ブロックごとの解説)

2022年1月25日、Bruce Rose著 - 5分の閲読

スイッチモード電源が機能する仕組み(ブロックごとの解説)

概要

プロジェクトで電源を指定して使っているにも関わらず、その電源は中身がわからない「ブラックボックス」であることがあります。電源設計の専門家である必要はありませんが、電源内部の基本的なブロックを理解することにはそれなりの利点があります。この記事では、電源のトポロジーについて紹介し、それぞれの内部にある機能ブロックについて、電源内部の主要回路に関する基本的な理解を提供しながら議論していきます。

電源の内部

図1のブロック図は、多くのAC-DCまたはDC-DC電源を表しています。この図でAC-DC入力電源とDC-DC入力電源の違いは、ダイオードブリッジ整流器です。整流回路(ダイオードD1、D2、D3、D4)はAC-DC電源で必要ですが、DC-DC電源では必要ありません。この違いがなければ、電源のトポロジーは同じになってしまいます。

AC-DCスイッチング電源の簡略化されたブロック図
図1:AC-DCスイッチング電源の簡略化されたブロック図

EMI/EMCフィルタ

EMI/EMCフィルタブロックは、電源の設計者が電源の内部に配置するか、電源のユーザーが外部コンポーネントとして追加することもできます。EMI/EMCコンポーネントは、以下の機能を提供するために必要とされる場合があります。

  • 電源入力の放射ノイズと伝導ノイズを最小化する
  • 入力電圧ソースから印加される電圧過渡の影響を最小化する
  • 電源の入力に電圧が最初に印加されるときの、入力サージ電流を最小化する
  • 電源に障害が発生した場合に、入力電源と導線を保護する

EMI/EMCコンポーネントが電源内部にある場合、電源開発チームは抵抗負荷への最大定格出力電流に基づいてコンポーネントを選択してきました。お使いのアプリケーションは、開発チームによって評価された条件とは同じ条件で動作しないかもしれません。そのため、電源に既に内部EMI/EMCコンポーネントがある場合でも、システムがEMI/EMC規制要件を満たすようにするためには、追加の外部コンポーネントが必要になる場合があります。

EMI/EMC入力フィルタ
図2:EMI/EMC入力フィルタ

ダイオードブリッジ整流器

前述のように、ダイオードブリッジ整流器は、AC入力電圧を電源内でDC電圧に変換するために使用されます。この整流器の回路は、DC電圧がすでに存在する、DC入力電圧専用に設計された電源には存在しません。しかし、AC入力電圧用に設計された多くの電源は、DC入力電圧で電力供給されることも特徴づけられています。電源の入力に、ダイオードブリッジが存在する状態でDC電圧が印加された場合、DC電圧はどちらの極性でも接続することができ、ダイオードを通過して入力バルクコンデンサ上に現れます。

ダイオードブリッジ整流器
図3:ダイオードブリッジ整流器

入力バルクコンデンサ

入力バルクコンデンサは、AC-DC電源の整流器ダイオードからのDC電圧をフィルタリングし、DC-DC電源の入力フィルタとして機能します。入力電圧が電源に最初に印加されると、入力バルクコンデンサの両端の電圧は0Vになります。この印加電圧とバルクコンデンサ電圧との間の電圧差は、バルクコンデンサが入力電圧まで充電している間に、大きな入力サージ電流を引き起こすことがあります。この突入電流は、通常入力される動作電流の100倍を超えることもあるため、問題となる可能性があります。多くの場合、この突入電流を制限するために、突入電流リミッタ(これは小さな値の抵抗器としてシンプルなものが多い)を入力電圧端子と直列に配置します。

DC-DC電源では、入力バルクコンデンサは入力導体のインピーダンスを補正し、電源の動的入力インピーダンスを安定化するのに役立ちます。このウェブページでは、電源の入力インピーダンスと、電源の振動の原因について詳しく説明します。

入力バルクコンデンサ
図4:入力バルクコンデンサ

入力電源スイッチ

電子スイッチ(MOSFETとして表示)は、DC入力電圧をAC電圧に変換し、電力が絶縁磁気(変圧器または結合インダクタ)を通れるようにします。入力制御信号のデューティサイクル、したがって電源スイッチからの出力信号は、電源のトポロジ、入力電圧、出力電圧、および出力負荷電流に依存します。AC-DC電源では、AC入力電圧をDCに変換し、その後ACに戻します。これは、内部AC周波数がはるかに高いので(数十キロヘルツ~数十メガヘルツ)、より小さい絶縁磁気と出力フィルタコンポーネントを選択できるからです。さらに、内部AC波形は、電力変換トポロジの一環として変調されることもあります。

入力電源スイッチ
図5:入力電源スイッチ

絶縁磁気

絶縁磁気に使用される一般的な部品は、変圧器か結合型インダクタのいずれかです。変圧器または結合型インダクタのいずれかを使えば、絶縁バリアの一次側と二次側の両方に1本以上の巻線があります。絶縁磁気の物理的構造では、一次巻線と二次巻線の間に寄生キャパシタンスがあります。この寄生キャパシタンスは、EMI/EMC問題の原因となる可能性があり、対処が必要です。これについては、別のウェブ記事で説明します。図6の図には、巻線に関連する寄生キャパシタンスが示されています。実際には、静電容量は図に示されるように集中部品ではなく、むしろ巻線に沿って巻線間に分布していることに注意してください。

寄生キャパシタンスを表す集中コンデンサを備えた絶縁磁気
図6:寄生キャパシタンスを表す集中コンデンサを備えた絶縁磁気

出力整流器

絶縁磁気の出力電圧はAC波形です。そのためDC出力電圧を生成するには整流する必要があります。整流を実行するには、パッシブ回路(ダイオード)またはアクティブ回路(FET)のいずれかを使用することができます。整流回路は、出力電圧要件や絶縁磁気構造に応じて、半波、全波、またはその他の構成にすることができます。ダイオード整流器は低コストで構築が簡単ですが、消費電力はアクティブなFET整流器回路を実装した場合よりも大きくなります。

出力整流器
図7:出力整流器

出力フィルタ

出力整流器は、AC電圧が重畳したDC電圧を生成します。出力のフィルタリングなしでは、ACノイズのピーク間振幅はDC電圧と等しくなり、これはほとんどのアプリケーションでは許されません。基本的な出力フィルタは、出力電圧にわたって配置される1以上のコンデンサです。出力のフィルタリングは、直列インダクタを追加して「L」フィルタまたは「Pi」フィルタを作成することで強化できます。この出力フィルタは、EMI/EMCエミッションを抑制するために実装されることもあります。出力フィルタは、コンポーネントが電源負荷の近くに配置された場合に最も効果的になります。フィルタコンポーネントを負荷の近くに配置すると、負荷電流の変動による導線の電圧降下が最小限に抑えられます。

出力フィルタコンデンサ
図8:出力フィルタコンデンサ

電圧、電流、温度の制御

出力電圧、出力電流、および電源の最大温度を調整する回路も、AC-DC電源とDC-DC電源の両方に含まれています。これらの制御回路には複雑な一連の特性があり、別のウェブ記事でそれぞれ議論されています。

結論

その記事では、AC-DC電源とDC-DC電源に搭載されている内部機能について高いレベルで議論されています。その他の記事では、電源の出力を調整する機能、電源と負荷を動作の損傷から保護するために使用する方法、EMIおよびEMCの規制要件を満たすために必要なコンポーネント、電源仕様の変更の影響について説明します。本議論で取り扱ったトピックに関する詳細情報や、ご自分のプロジェクトで選んだ電源に対してそれがどのように適用されるかについてご質問がある場合は、CUIの販売およびカスタマーサポートチームにお問い合わせください。

カテゴリ: 基礎製品の選択

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Bruce Rose

Bruce Rose

主席アプリケーションエンジニア

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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