電源の出力電圧トリミングの基礎
2020年8月18日、Bruce Rose著 - 6分の閲読
DC出力電源のデータシートには、出力電圧をトリムする能力に関する仕様が存在する場合があります。これにより、なぜ出力電圧を調整する必要があるのか、外部回路は電圧をどのように調整するのか、電圧調整範囲が制限されているのはなぜかという疑問が頻繁に持ち上がります。このブログでは、電源設計の基礎について取り上げ、出力電圧トリムの動作と仕様に関連付けて議論していきます。
トリミングとは、またどのように使用されますか？
電源の出力電圧をトリミングするということは、単純に電圧を少し調整することです。慣例に従うと、トリミングという用語は、電源が指定された公称出力電圧を有し、ユーザが出力電圧を約10%以下変化させることができるアプリケーションに使用されます。多くの場合、ユーザーは外部コンポーネントを追加する、PCBがマウントされたポテンショメータの調整、またはアナログ信号やデジタル信号を適用することで、電源の出力電圧をトリミングできます。
通常、次の2つの理由により、出力電圧のトリム機能がある電源が使われます。
- 性能 - 出力電圧のわずかな変化により、製品性能が向上するアプリケーション
- 非標準電圧 - 非標準の出力電圧が必要であり、標準電源の出力電圧を変更することが、必要な出力電圧を生成する最も効率的な手段である場合
トリミングによる性能向上の一例は、アプリケーションで電力導体に沿って電圧降下がある場合です。この場合、電源端子の出力電圧は、導体に沿った電圧降下を補正するためにより高くトリムすることができます。このアプリケーションで出力電圧のトリミングを適用すると、電力供給導体に電圧降下があったとしても、負荷時の電圧を望ましいレベルに保つことができます。
電源電圧 = 目的の負荷電圧 + 導体インピーダンス電圧降下総量、となるようにトリミングされています。
一部の電源では、公称値ではなく範囲として指定され、出力電圧は1:100程度の比率で調節可能です。これらのタイプの電源は、多くの場合、可変、調節可能、またはラボ用電源としてラベル付けされています。これらの電源の出力電圧を制御する方法は、通常、アナログ信号かデジタル信号、またはパネルマウントノブかキーパッドでおこないます。このクラスの電源は、多くの異なるアプリケーションで使用できる単一電源をユーザーが求めている場合に使用されることが多く、今回このブログ記事では注目していません。
トリミング方法
安定化電源では、出力電圧のスケール値は、フィードバックループを使用して基準電圧と一致するように設定されます。この電源の出力電圧は、フィードバック電圧のスケーリング係数変更、フィードバックノードへのトリミング信号の注入、または基準電圧の変更のいずれかによって変更可能です。電源の出力電圧をトリミングする最も一般的な方法は、フィードバックノードに電流（高出力インピーダンスの電圧源）を注入するか、フィードバックネットワーク内のインピーダンス要素の値を変更することです。電源に出力電圧トリミングを実装する方法は、以下のとおりです。
印加外部抵抗
電源設計チームは、内部フィードバックノードにピンを提供します。高出力インピーダンスの電圧源は、ユーザーが電源の出力電圧と接地との間に高インピーダンス抵抗ネットワークを配置することによって構築することができます。この外部抵抗ネットワークのノードは内部フィードバックノード・ピンに接続され、適切な電流を注入して電源の出力電圧をトリミングします。
ポテンショメータ
電源設計チームは、PCBマウント済みのポテンショメータをフィードバックネットワークに配置します。ユーザーは電源の出力電圧をトリミングするために「ポット」を利用できます。
印加外部電圧
電源設計チームは、内部フィードバックノードを駆動する内部信号処理回路に接続するピンを提供しています。ユーザがトリム電圧を外部ピンに印加すると、信号調整回路は出力電圧をトリムするために必要な電流をフィードバックノードに注入します。
デジタル・インターフェース
電源設計チームは、出力電圧をトリミングするためのデジタルインターフェースをユーザに提供しています。内部DACと信号処理は、デジタル・トリムコードを適切なアナログ電圧または電流に変換して、出力電圧をトリムします。
トリム制限
出力電圧トリム範囲が制限される理由としては、多くの要因が考えられます。トリム範囲制限の一般的な理由の一部に、出力電力制限、フィードバックループの安定性、デューティ・サイクルの制限があります。出力電圧のトリミングは、電源設計のトポロジーによって電源出力の電流制限にも影響します。出力電圧と出力電流に対する変更は、入力整流コンデンサの定格、プライマリサイドのスイッチ、絶縁磁気、二次整流半導体、および出力フィルタのコンポーネントに影響を与える可能性があります。コスト、サイズ、出力トリム範囲を大きくすると、電源設計のこれらのコンポーネントの複雑さが増す可能性があります。
前述のとおり、電源は内部フィードバックループで設計されています。電源の出力電圧の変化は、電源のループ安定性に影響を与える可能性があります。不安定な電源ループは振動やラッチの発生の原因となる可能性があり、過度に安定したループは応答時間が遅くなり、負荷の過渡変化が存在すると出力電圧の制御が不十分になります。最近のほぼすべての電源設計では、スイッチング・トポロジーを利用してコストとサイズを削減し、性能を向上させています。多くのスイッチング電源アーキテクチャでは、出力電圧を変更すると、スイッチング波形のデューティ・サイクルに影響が出ます。出力電圧のトリミングをしすぎると、スイッチング波形のデューティ・サイクルの最小と最大両方での制限が発生する可能性があります。
結論
この電源の出力電圧は、多くのアプリケーションで、メリットを得られるよう調整できます。大多数のアプリケーションでは、電源の出力電圧を適度にトリミングすることは大して難しくありません。しかし、ご質問などがある場合はCUIのテクニカルサポートチームがお客様をサポートいたしますので、いつでもお問い合わせください。
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Bruce Rose
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。