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強化されたピーク電力機能を搭載した電源

2020年4月21日、Aaron Yarnell著 - 8分の閲読

強化されたピーク電力機能を搭載した電源

電源の一般的な特性評価パラメータの1つは、負荷に供給できる最大電力です。ほとんどの設計者は、公称負荷が供給の最大電力定格の60%~80%の範囲内となるように電源を選択します。また、これは電源の最大容量は、公称負荷よりも25%~67%多い供給ができるとも考えられます。この設計上の決定を行う際、エンジニアは、電源の指定されたパフォーマンス範囲内にあるピーク負荷条件を使用してシステムを操作できます。ただし、この動作モデルには適合しない次のような電源負荷クラスがあります。

  • 周期的に高レベル、それ以外の時は非常に低い電力レベルで動作する負荷を掛けます。
  • 起動電力要件が大きく、その後より低い動作電力レベルになる負荷。

設計エンジニアたちは、自分たちのサプライヤーによくこのような質問をします。「大きな過渡負荷に対応させるために使える、高いピーク電力定格を持った電源はありますか?」この要件に対応できるのが、CUIのパワーブースト付き電源です。この製品は、従来の電源と同様の出力電力仕様を持っていますが、最大定格レベル(最大10秒間で、10%の最大デューティサイクル)をの2倍のピーク電力レベルをサポートできる能力が追加されています。これにより、お客様はピーク電力要件ではなく、公称電力レベルに基づいて電源を選択できます。

このような選択を行うことで、設計者はより低い最大電力定格の電源を使用することができ、システムのコストの削減ができる可能性もあります。このブログ記事では、定電圧電源について、その後、出力電流はその出力電力と互換的に使用することができる(出力電流は出力電力に比例する)という概念について議論していきます。

定格負荷の200%でのピーク負荷とクレスト係数3.2でのピークを示した波形グラフ
図1:定格負荷の200%でのピーク負荷とクレスト係数3.2でのピークを示した波形(200%/62%)

従来の電源設計における現在の制限

ほとんどの電源は、出力側に過電流検出および保護機能が設計されています。内部過電流検出の回路は、過剰負荷電流の事象における損傷から電源を保護するために、ミリ秒以内に反応するように設計されています。電源は、負荷電流が指定された最大動作電流より大きいときにデータシートの動作仕様を満たすことはできませんが、過電流イベント中の操作が供給に損傷しないように、供給品を設計する必要があります。オーバー電流制限を最大動作電流に近づけることは、過電流保護が活性化する前に、供給がより大きな出力電流(および内部電力放電)で動作することができないことを意味します。通常、過電流閾値は、最大定格出力電流にできるだけ近い値に設定されます(しばしば 110最大出力電流の%)。これにより、コスト効率の高い供給が可能になります。

この最大指定負荷電流のおよそ62%の公称出力電流で動作し、最大して最大負荷電流の110%で過電流保護しきい値を設定するという電流の基本的な考え方は、ピーク負荷から平均負荷(クレスト係数)の比の負荷が最大指定負荷電流の割合(%)は、ピーク負荷から平均負荷(クレストファクター)までの比がおよそ1.8以下(110%/62%)になっている負荷の場合によく機能します。負荷のクレスト係数が1.8(より大きなピーク負荷)以上になればなるほど、平均消費電力に対する電源のコストが容認できなくなる可能性があります。電源は最大負荷定格よりもかなり低い公称負荷で動作させる必要があるということがこの理由です。1.8より大きいクレスト係数の負荷を持つシステムでは、コストとサイズを考慮すると、高い過電流しきい値で設計されている電源を使うことでより大きなメリットを見出すことができます。

高いクレスト係数の負荷の例

短時間で大量の電力を消費し、その後より低いパワーモードに落ち着く電源負荷には多くの種類があります。例えば、3:1以上となるクレスト係数もその1つです。このような特徴を持つ製品およびアプリケーションの例には、次のようなものがあります。

  • 適切な動作温度にすばやく達するために最初にオーバードライブするサーマルエレメントを持つ、感熱プリンター
  • Back-EMF(逆起電力)がないため電流の消費が高くなった時の起動時の電動モーター
  • 最初の充電時に高い電流を消費する、フィルタコンデンサの大型のバンク
  • テスト実行中は高い電力消費で、テストとテストの間は低い電力消費で、定期的に短時間のテストを実行するテストモジュール

高いクレスト係数の負荷を持つアプリケーション例の図表
図2:高いクレスト係数の負荷を持つアプリケーションの例

高クレスト係数の電力送信に極めて重要な電源コンポーネント

高い電力クレスト係数を持つ負荷をサポートするコスト効率の高い設計をおこなうためには、対処を施すべき電源の部分がいくつかあります。ほとんどのAC-DC電源では、入力電流は最初にヒューズやEMIフィルタを通過し、その後、入力電流がバルクコンデンサを充電するブリッジ整流器を通して流れます(図3)。バルクコンデンサは、電源回路が正しく動作するように、電源の残りの部分に印加される整流電圧が最小レベル以上で維持されるようにします。このコンデンサは、指定された最小入力電圧で最大指定負荷電流をサポートするために十分なサイズでなければなりません。CUIのPower Boost電源の場合、バルクコンデンサの接続ノードは、ユーザーがアクセスできるようになっており、アプリケーションで必要とされた場合は追加のバルクキャパシタンスを追加することができます。

バルクコンデンサ付き電源の入力ステージの図
図3:バルクコンデンサ付き電源の入力ステージ

Power Boostアプリケーションのための特定要件を備えたAC-DC電源における2番目のコンポーネントは、絶縁型変圧器、または連結インダクタです(図4)。この磁性エレメントは、ピーク負荷電流の送電中に飽和がおこらないように設計する必要があります。その他の懸念事項は、このエレメントの放熱容量は、高いピーク負荷の要件を対処するのに十分なものでなければならないということです。

絶縁トランスまたは連結インダクタの図
図4:絶縁トランスまたは連結インダクタ

高いピーク負荷電流中に適切に動作するための仕様として選ばれる必要があるPower Boost電源の3つ目のエレメントは、プライマリーサイドスイッチです(図5)。このスイッチの場合、主な懸念は、持続的なピーク負荷電流の間の電力放散機能になります。この懸念に対処するため可能性として挙げられるソリューションは、ピーク負荷の間に生成された過剰な熱を吸収するために、スイッチのパッケージにサーマルマス(熱畜体)を加えることです。このサーマルマスは、パッケージに本来備わっている特徴として実装することも、スイッチのパッケージに対して外部ヒートシンクとして追加する形で実装することもできます。

プライマリーサイドスイッチの図
図5:プライマリーサイドスイッチ

結論

電源のほとんどの負荷は公称電力レベルに合理的に近いピーク電力要件を持っていますが、公称電力レベルより大幅に大きいピーク電力レベルが必要なアプリケーションも多数あります。負荷スパイクは大型だが短い持続時間で低デューティサイクルであるアプリケーションに対しては、CUIのPower Boostモデルは優れたソリューションとなります。このクラスの電源は、従来の電源よりも、より小型、軽量、安価に必要なピークパワーを提供するソリューションです。

カテゴリ: 製品選択

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Aaron Yarnell

Aaron Yarnell

シニア製品マネージャー

Aaron Yarnellはエレクトロニクス業界で約15年にわたる経験を有しており、製品設計、開発からフィールドアプリケーションのサポート、製造、技術文書まで、幅広い製品技術分野で活躍してきました。AaronはMBAを取得しており、それぞれの彼の職務に伴うビジネスの側面をより深く理解しています。プロフェッショナルな実績に加えて、Aaronは休日にオレゴン州の海岸を訪れたり、家族や友人と充実した時間を過ごしたり、大きな夢を描きながらワクワクするようなプロジェクトを構想したりして余暇を過ごしています。

 
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