電源の出力容量の制限について理解する
2023年6月20日、Bruce Rose著 - 5分の閲読
以前のブログ記事では、スイッチング電源の内部コンポーネント（「ブロックごとの、スイッチモード電源の動作について」）と、フィルタリングに使用される出力フィルターコンデンサの特性（「電源アプリケーション用の出力コンデンサの選択」）について説明しました。しかしそれらの記事では、多くの電源では、ユーザが電源の出力側に配置できる容量に対して最大値の指定があることの理由については説明されていませんでした。本記事では、コンデンサの電気原理をついて復習し、電源の出力容量を配置する時に、「部分的に良ければ、もっと多くあった方が良い」とはならない理由についてレビューします。
静電容量の目的は何ですか？
設計上のタスクではほとんどがそうであるように、電源の出力容量にも影響する制約が複数あります。電源の出力コンデンサの一つの目的は、電力が外部負荷へ供給されるときに望ましくない電気ノイズを減衰させることです。そしてこのもう一つの目的は、負荷電流過渡現象の発生による出力電圧の変化を最小限に抑えることです。
ノイズを減衰させ出力電圧変化を最小化することが、電源の出力容量の選択における唯一の考慮事項である場合は、静電容量がより大きい方が良いかもしれません。残念なことに、電源のその他の特性は、電源の出力容量が増加すると、マイナスの影響を受ける可能性が高まります。
出力容量の増加によって受ける影響
電源の出力容量が増加することで影響を受ける電源特性の一つに、出力過電流保護（OCP）機能があります。このOCP機能は、負荷電流が大きすぎる場合、電源を損傷から守るために電源に含まれているものです。起動中に出力電圧が上昇すると、出力容量が十分大きい場合は、電源からの過剰な出力電流が必要になることがあります。
電源の出力容量と起動電圧ランプの相互作用は、コンデンサの基本電気原理をレビューするることで一番よく理解できます。コンデンサの特性に関する基本的な説明を式1に示します。
コンデンサへの（またはコンデンサからの）電流（I）は、静電容量（C）の値に、電圧の変化が起こる時間（dt）の変化で割ったコンデンサ（dV）全体の電圧の変化を掛けた値に等しくなります。コンデンサに関わる電流は、静電容量の値が増加するにつれて増加し、電圧の変化が増加し、電圧の変化に関連する時間は減少することがこの方程式から分かります。また、その電源は、出力電圧制御トポロジにあるフィードバックを採用して、精密に出力電圧を作り出していることも思い出してください。その後、出力負荷電流過渡が発生すると、制御ループの有限帯域幅による出力電圧応答に時間遅延が生じることも明らかです。
遅延時間中の過渡負荷電流を補償するために容量を使用することにより、制御ループが応答するまでの間、電源の出力電圧を安定させることができます。静電容量の値を大きくすると、出力負荷電流過渡電流によって生じる出力電圧の安定性が向上します。また、出力容量に関しても、電源の起動中の出力電圧変化は、コンデンサの端子にわたってdV/dtの事象して出現し、したがって、コンデンサ内に電流を流します。出力電圧の起動中に電源の出力容量を充電するために必要な電流は、電源から来ていなければなりません。
アプリケーション例
単純な例示的な回路を分析して、電源に関連する静電容量、電圧、電流のレベルを感知することができます。以下の特性と設計目標を持つスイッチング電源を分析します。
- スイッチング周波数：100kHz
- 電源制御ループの帯域幅：10kHz
- 電源の出力電圧：12V
- 電源の出力電流：500mA
- 25～75%の負荷電流ステップの過渡電圧：120 mV
- 起動立ち上がり時間：10 ミリ秒
スイッチング周波数 100 kHz で動作する電源を想定する場合、供給フィードバックネットワーク（ループ帯域幅はスイッチング周波数の 1/10 に設定）のクローズドループ帯域幅を 10 kHz と想定するのが妥当です。10 kHzの帯域幅を持つ単極ネットワークでは、10%～90%の立ち上がり時間が約35 μs（Tr = 0.35/BW）になります。フィードバックネットワークに影響が出る前に、電源の出力電圧に120mVの過渡電流を持たせたい場合は、250mA過渡電流の供給出力で約73μFの静電容量が必要になります。起動時には、出力コンデンサを充電するために必要なのは90mAのみの電流を供給するだけです。
このレベルの出力電流は問題にはなりません。ただし、ユーザーが電圧偏差が 20 mV だけになるように負荷電流過渡中に出力容量 450 μF を配置することにした場合、出力容量を充電するのに必要な電流と、起動中に電源がOCPモードになるかもしれません。
起動時の過電流フォルト
ほとんどのスイッチング電源では、OCP実装スキームにヒックアップモードを採用しています。ヒックアップモードは、電圧コントローラICへの組み込みが容易で、過電流出力時の電源コンポーネントへのストレスを軽減するために採用されます。OCPにヒックアップモードを採用するもう一つのメリットは、電源のサイズ、重量、コストを削減できることです。前述したように、起動中に電源の出力容量を充電するために必要な負荷電流が電源の定格出力電流よりも大きい場合、電源はOCPモードに入ることがあります。
起動中に電源がOCPモードに入ると、電源出力電圧が階段状に上昇し、希望の出力電圧に達する可能性があります（図を参照3）。また、OCPモードの場合、起動フェーズ中の漏出またはその他の電流の流れによって、出力容量が所望の値を達成できない可能もあります。OCPモードでの動作は異常な状態であるため、電源が意図的にOCPモードで動作しないように、電源の設計者が電源の出力側に配置する最大負荷容量を指定することがよくあります。電源のOCPに関する詳細な説明については、こちらのWeb記事（Fundamentals of Power Supply Over Current Protection）をお読みください。
外部リニアレギュレータによる過渡応答の改善
一部のアプリケーションでは、製品設計者は、スイッチング電源の出力と負荷との間に低ドロップアウトリニアレギュレータ（LDO）を配置して、出力負荷電流過渡電流と電源ノイズによる出力電圧過渡電流を低減することができます。LDOは、スイッチング・レギュレータよりも高いクローズド・ループ帯域幅で選択できるため、同じシステム性能を得るのに出力容量をそれほど大きくする必要はありません。
電源の専門家がお答えします
このプレゼンテーションでは、設計エンジニアが電源の出力容量の量をどのように選択するか、その決定が起動モード中に電源にどのような影響を与えるのかについて議論しました。CUIでは、ユーザーが起動時に電源がOCPモードに入るように製品を設計することを決定した場合、そのリスクを理解し、製品が許容可能な方法で動作することを検証することを推奨しています。CUIの専門家とエンジニアは、過剰な出力静電容量がアプリケーションに与える可能性のある動作や影響について理解し、最適なソリューションへと導くためのお手伝いをします。
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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。