非安定化電源と安定化電源との間の違いは何ですか?

2020年2月4日Ron Stull著

非安定化電源と安定化電源との間の違いは何ですか?

電源の重要な機能の1つは、入力電圧を希望の出力電圧に変換することです。この電圧がどれだけの精度を持つか、そして条件を変更することでどれだけの変異があるかについては、出力が安定化されているかどうか、その場合はどのレベルで安定化されているかに依存します。電源を選択する場合は、規制が理解し、それが特定のアプリケーションに必要かどうかを理解することが重要です。

背景

規制とは物事を管理する法令ですが、電源では、これは通常、出力電圧を管理することを意味します。その重要性とその仕組みを理解するためには、まず図1で回路を検討します。

非安定化DC-DCリニアコンバータ回路の図
図1:非安定化のDC-DCリニアコンバータ回路

図1の回路は、次の方法で動作する、基本的な非安定化DC-DCリニアコンバータを示しています。

  • AC入力電圧はT1のプライマリに渡って適用されます。
  • この変圧器は二次電圧であるVsecを出力し、これはVACに変換比nを掛けたものです(式1)
  • D1とCoutの組み合わせにより、VsecからDC電圧、Vdcへ変換し、Vsecのピークと同じになります
  • 出力電圧、VoutはこのためIoutによるRoutのマイナス損失を引いたVdcと等しい (式 2)

Vsec = Vac * n
方程式1:二次電圧

Vout = √2 * Vsec - Iout * Rout
方程式2:非安定化出力電圧

これらの方程式で最初に気が付くことは、入力電圧の変更が出力電圧に直接影響することです。Routが無視できる場合は、VoutはVinのピークに回転率を掛けたものと等しくなります。これが変化する入力を持つアプリケーションでは、出力電圧で大きな変化が生じる可能性があります。例えば、Voutが120VのAC入力で12Vの場合は、240Vへの入力を二倍にすると、Voutも倍増して24Vになります。

入力への変更によって影響を受けるだけでなく、負荷も出力電圧に影響します。Rout(配線、PCBトレース、変圧器インピーダンスなど)は、負荷電流に対して比例する、VdcとVoutの間で電圧ドロップを生じます。負荷なし、0A、VdcはVoutと等しいですが、Ioutが増加するにつれ、Routにまたがった電圧も上昇し、Voutの落下につながります。例えば、Vdcが12Vで、Routが1オームの場合、Ioutが0から1Aに増加するにつれ、Routの電圧は0Vから1Vに増加し、Voutは結果として12Vから11Vに落下します。

入力電圧の依存性と負荷条件は、それぞれライン安定および負荷安定としてデータシートで指定されており、条件が変化するにつれて、出力電圧は大きく変化することにつながります。一部のアプリケーションではこれを処理できますが、多くの場合、広範囲の条件下でより厳密な許容誤差が必要になります。これらのアプリケーションに対しては、安定化が必要です。

図2は、図1の負荷とRoutとの間に追加できる、図1の出力電圧を安定化するために使用されている、簡素化されたリニアレギュレータを示しています。

リニアレギュレータの図
図2:リニアレギュレータ

図2のこのレギュレータは、次の方法で機能します。Voutは、入力電圧からQ1のコレクターおよびエミッターにまたがる電圧低下を引いた、Vceと等しくなります(式 3)。このオペアンプは、Voutを基準電圧、Vrefと比較し、差異を増幅します(式 4)。

Vout = Vin - Vce
方程式3:安定化出力電圧

Vbase = ゲイン * (Vref - Vout)
方程式4:オペアンプの出力電圧

これにより、マイナスのフィードバックループが作成されます。式 4では、VoutがVrefよりも大きくなる場合、Vbaseはマイナスになり、Q1をオフにして、Q1全体で大きな電圧低下を引き起こすことを示しています。Q1全体での低下を増やすことで、Voutは基準電圧に向かって低下するようになります。電圧が基準電圧以下に落下した場合、Vbaseはポジティブに転換し、Q1をオンに戻し、その電圧を減少させてVoutを上昇に戻します。この方法で、このレギュレータは、ライン条件と負荷条件の変化において、一定のVoutを維持することができます。

リニア電源とレギュレータは、シンプルさで前述の例で選択されましたが、これらの非効率性のため、しばしばより複雑なスイッチング電源に置き換えられます。スイッチング電源に複雑性が追加されたとしても、安定化をおこなうその基本的な方法は同じです。安定化をする方法の主な違いは、制御の変数です。リニアレギュレータとスイッチングレギュレータは両方とも、出力を基準と比較し、この情報を使って回路の一部の機能を制御します。リニアレギュレータの場合、Voutを安定化するためにトランジスタ全体の電圧が使用されました。多くのスイッチングレギュレータでは、デューティ比(合計スイッチング期間に対するスイッチオンの時間の比)が制御されます。共振LLCのようなその他のトポロジーでは、制御されるのはスイッチング周波数です。

フィードバックループの作成に使用されるコンポーネントも基準も完璧でないことから、いずれも安定化ではありません。非安定化電源など、各種電源のデータシートには、ある範囲の条件下でどの程度の出力電圧変化が見込まれるのかをユーザーにお伝えする情報が含まれています。時には、総合安定化または単なる安定化のいずれかとして、すべての条件を網羅する単一の数字が示されていることがあります。また、別々に2つがリストされていることもよくあり、これは、単一条件(入力電圧や負荷など)でどの程度出力が変更されるかを示しています。

さて、安定化が何をするか、そして安定化の機能する方法がわかったところで、自分のアプリケーションにはどちらが必要かはどのようにわかるのでしょう?

安定化

前述のように、非安定化電源の出力は、動作条件に大きく依存しています。出力側の許容誤差を改善する唯一の方法は、動作条件の範囲を制限することです。幅広い条件を受け入れる必要があるアプリケーション(ユニバーサル入力を持つ電源(90~265 VAC)や出力電圧で厳しい許容誤差が求められるアプリケーションに対しては、安定化が必要です。

条件範囲が狭いアプリケーションでも、コンポーネントの許容誤差と温度の差異が、コンバータからコンバータへの出力電圧の差異へとつながる可能性があります。これは通常、データシートでセットポイント精度として指定されています。条件が一定であり、出力電圧が変化しない場合でも、安定化なしでは出力電圧は必要な許容誤差範囲の外に低下することがあります。

非安定化

幅広い動作条件および/または広範囲の電圧を受け入れられるアプリケーションは、非安定化DC-DCコンバータを使用することでメリットを得られる場合があります。安定化コンバータと比較した非安定化された同じDC-DCコンバータの2つの主なメリットは、サイズとコストです。非安定化コンバータは多くの場合、同等の安定化コンバータよりも小型かつ安価になります。これは、フィードバックループ作成に必要となる追加コンポーネントが起因します。

非安定化DC-DCコンバータを選択する場合は、出力、ライン、負荷条件間の関係を示すグラフが製造元によって供給されます。ユーザーは、これらのグラフを精査して、その電圧が全動作条件の限界内にあることを確認する必要があります。図3のグラフは、このような3つの曲線を示すグラフです。最小と最大の線は、セットポイント精度を示します。個々のコンバータは、これらの曲線に平行な負荷ラインを持つライン間に収まります。この負荷ラインは、負荷が最小から最大になるように、どの程度の出力電圧の変化が見込まれるかを示しています。

非安定化負荷曲線を示すグラフ
図3:非安定化負荷曲線

結論

多くのアプリケーションでは、厳密に制御された電圧が重要になります。安定化DC-DCコンバータは、広範囲の動作条件下で出力電圧に対する厳密な許容誤差を提供できます。ただし、電圧を厳密に制御する必要がないアプリケーションの場合は、非安定化DC-DCコンバータを使用することが有益かもしれません。これらの場合、設計者は、非安定化DC-DCコンバータを使用して、サイズとコストを削減することができます。

その他のリソース


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Ron Stull

Ron Stull

電力システムエンジニア

Ron Stullは2009年にCUIに参入して以来、アナログおよびデジタル電源、そしてAC-DCおよびDC-DC電力変換の分野で知識と経験を積み重ねてきました。彼はこれまで、アプリケーションサポート、テスト、検証、設計などの責任者としてCUIのエンジニアリングチームで重要な役割を担ってきました。Ronは、電力エンジニアリング以外では、ギターを弾いたり、ランニングをしたり、アメリカの国立公園をすべて訪れることを目標に妻とアウトドアを楽しんでいます。

 
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