ほとんどの電子システムでは、電源電圧と供給される回路電圧の間で何らかの変換が必要です。 バッテリーの充電が失われると、電圧が低下します。 一部の DC-DC 変換では、バッテリーに蓄えられたより多くのエネルギーを回路への電力供給に確実に使用できます。 また、AC110Vラインを使用するとマイコンなどの半導体に直接電源を供給することができません。 ほぼすべての電子システムは電圧コンバータ (電源とも呼ばれます) を使用するため、長年にわたってさまざまな用途に合わせて最適化されてきました。 もちろん、最適化の目標は通常、ソリューションのサイズ、変換効率、EMI、コストです。

シンプルな電源：LDO

   

電源のシンプルな形態の 1 つは、低ドロップアウト (LDO) レギュレータです。 LDO はスイッチング レギュレータとは対照的にリニア レギュレータです。 リニアレギュレータは、入力電圧と出力電圧の間に調整可能な抵抗を配置します。つまり、入力電圧がどのように変化しても、機器に流れる負荷電流が変化しても、出力電圧は固定されます。 図 1 は、この単純な電圧コンバータの基本原理を示しています。

図 1. リニア電圧レギュレータは、ある電圧を別の電圧に変換します。

長年にわたり、一般的な電力コンバータは 50 Hz または 60 Hz の変圧器で構成されており、電力網に接続され、特定の巻線比で不安定な出力電圧を生成します。この電圧は、必要な電源電圧よりも数ボルト高くなります。システム。 次に、リニアレギュレータを使用して、この電圧を電子製品に必要な安定した調整電圧に変換します。 図 2 に、この概念のブロック図を示します。

2. ライントランスとそれに続くリニア電圧レギュレータ。

図 2 の基本的なセットアップの問題は、50 Hz/60 Hz トランスが比較的かさばり、高価であることです。 また、リニアレギュレータも発熱量が多いためシステム全体の効率が低く、またシステムのパワーが大きいため発生した熱を除去することが困難です。

スイッチングモード電源が役立ちます
   

図に示す電源の欠点を回避するには、次のようにします。 2、スイッチングモード電源が発明されました。 50 Hz または 60 Hz の AC 電圧には依存しませんが、DC 電圧を使用し、場合によっては AC 電圧を整流し、より高い周波数の AC 電圧を生成して小型のトランスを使用するか、LC フィルターを使用して電圧を整流し、非絶縁システムで DC 出力電圧を生成します。 。 利点は、ソリューションのサイズが小さく、コストが比較的低いことです。 生成される AC 電圧は正弦波電圧波形である必要はありません。 シンプルな PWM 信号波形はうまく機能し、PWM ジェネレータとスイッチを使用して簡単に生成できます。

2000 年までは、バイポーラ トランジスタがスイッチとして一般的に使用されていました。 パフォーマンスは優れていますが、スイッチング速度は比較的遅いです。 効率は高くなく、スイッチング周波数は 50 kHz または 100 kHz に制限されます。 現在では、バイポーラ トランジスタの代わりにスイッチング MOSFET を使用しており、スイッチング速度ははるかに高速です。 一方でスイッチング損失は低く、スイッチング周波数は5MHzと高速です。 このような高いスイッチング周波数により、パワー段で非常に小さなインダクタンスとキャパシタンスを使用できるようになります。

スイッチングレギュレータには多くの利点があります。 通常、高効率の電圧変換を実現し、昇圧および降圧が可能で、比較的コンパクトで低コストの設計を実現します。 欠点は、設計と最適化プロセスが複雑であり、スイッチング変換とスイッチング周波数によっても EMI が発生することです。 スイッチングモード電源レギュレータとLTpowerCAD® そしてLTspice® 電源設計ツールの利用により、この困難な設計プロセスが大幅に簡素化されました。 これらのツールを使用すると、スイッチング電源の回路設計プロセスを半自動化できます。

電源の絶縁

   

電源を設計する際、最初に答えるべき問題は、電気的絶縁が必要かどうかです。 電気的絶縁はさまざまな理由で使用されます。 これにより、回路の安全性が向上し、フローティング システムの動作が可能になり、ノイズの多い接地電流が回路内のさまざまな電子デバイスに広がるのを防ぐことができます。 一般的な 2 つの絶縁トポロジは、フライバック コンバータとフォワード コンバータです。 ただし、より高い電力を得るには、プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジなどの他の絶縁トポロジが使用されます。

電気的絶縁が必要ない場合は、ほとんどの場合、非絶縁トポロジが使用されます。 トポロジーには常に変圧器が必要ですが、この種の機器は高価でかさばる場合が多く、カスタマイズされた電源の要件を正確に満たす既製の機器を入手するのは通常困難です。

分離が必要ない場合の最も一般的なトポロジ

   

一般的な非絶縁スイッチング モード電源トポロジは、バック コンバータ (バック コンバータとも呼ばれる) であり、正の入力電圧を受け取り、入力電圧よりも低い出力電圧を生成します。 これは 3 つの基本的なスイッチング モード電源トポロジの 1 つであり、2 つのスイッチ、1 つのインダクタと 2 つのコンデンサのみが必要です。 図 3 は、このトポロジの基本原理を示しています。 ハイエンドスイッチは入力端子からパルス電流を送り、入力電圧とグランド電圧を交互に繰り返すスイッチングモード電圧を生成します。 LC フィルタはスイッチ ノードでパルス電圧を取得し、DC 出力電圧を生成します。 ハイエンドスイッチのPWM信号のデューティ比に応じて、異なるレベルのDC出力電圧が生成されます。 この DC-DC 降圧コンバータは効率が高く、構築が比較的簡単で、必要なコンポーネントもほとんどありません。

図 3. 単純な降圧コンバータの概念。

降圧コンバータは入力でパルス電流を放出しますが、出力にはインダクタからの連続電流が流れます。 これが、降圧コンバータのノイズが入力では非常に大きくなりますが、出力ではそれほど大きくない理由です。 低ノイズ システムを設計する際には、このことを理解しておくことが重要です。

降圧トポロジに加えて、2 番目の基本的なトポロジは昇圧トポロジです。 昇圧トポロジでは、降圧トポロジと同じ 5 つの基本的な電力素子が使用されますが、再配置後、インダクタが入力に配置され、ハイサイド スイッチが出力に配置されます。 昇圧トポロジは、入力電圧を入力電圧よりも高い出力電圧まで昇圧するために使用されます。

図 4. 単純な昇圧コンバータの概念。

昇圧コンバータを選択する場合、昇圧コンバータのデータシートには、最大出力電流ではなく、最大定格スイッチング電流が常に指定されていることに注意することが重要です。 バックコンバータでは、最大スイッチング電流は達成可能な最大出力電流に直接関係しており、入力電圧と出力電圧の電圧比とは関係がありません。 ブースト レギュレータでは、電圧比は、固定最大スイッチング電流に基づいて可能な最大出力電流に直接影響します。 適切な昇圧レギュレータ IC を選択するときは、必要な出力電流だけでなく、開発時に設計された入力電圧と出力電圧も把握しておく必要があります。

入力接続と一致したインダクタンスによって電流の急激な変化が防止されるため、入力におけるブースト コンバータのノイズは非常に低くなります。 ただし、出力端では、このトポロジーのノイズは非常に大きくなります。 外部スイッチを流れるパルス電流のみが見えるため、降圧トポロジよりも出力リップルに注意を払います。

3 番目の基本トポロジは反転昇降圧コンバータで、5 つの基本コンポーネントのみで構成されます。 このコンバータは、正の入力電圧を受け取り、それを負の出力電圧に変換するため、その名前が付けられています。 また、入力電圧は反転出力電圧の絶対値よりも高くても低くてもよい。 たとえば、入力の 12 V または 5 V から -24 V の出力電圧を生成できます。 これは、特別な回路の変更を行わなくても発生する可能性があります。 図5に反転昇降圧コンバータの回路概念を示します。

図5. 単純な反転昇降圧コンバータの概念。

逆昇降圧トポロジでは、インダクタはスイッチング ノードから接地されます。 コンバータの入力と出力にはパルス電流があるため、このトポロジの入力と出力のノイズは高くなります。 低ノイズのアプリケーションでは、この特性は追加の入力および出力フィルタリングを追加することで補償されます。

反転バックブースト トポロジの利点は、任意のバック スイッチング レギュレータ IC をこのコンバータで使用できることです。 降圧回路の出力電圧がシステム グラウンドに接続されている限り。 IC降圧回路の接地が調整された負電圧となります。 この機能により、市場におけるスイッチング レギュレータ IC の選択肢が広がります。

特殊なトポロジー

 

前述した 3 つの基本的な非絶縁スイッチング モード電源トポロジ以外にも、多くのトポロジが利用可能です。 ただし、いずれも追加の電源コンポーネントが必要です。 これにより通常、コストが増加し、電力変換効率が低下します。 いくつかの例外はありますが、電源経路に追加のコンポーネントを追加すると、通常、損失が増加します。 一般的なトポロジには、SEPIC、Zeta、UK、4 スイッチ昇降圧などがあります。 これらはすべて、3 つの基本トポロジにはない機能を備えています。 以下は、各トポロジの重要な機能のリストです。

   

01

SEPIC：SEPICは、出力電圧より高いまたは低い正の入力電圧から正の出力電圧を生成できます。 昇圧レギュレータICはSEPIC電源の設計に使用できます。 このトポロジの欠点は、2 番目のインダクタまたは結合インダクタと SEPIC コンデンサが必要になることです。

   

02

Zeta: この Zeta コンバータは SEPIC に似ていますが、正または負の出力電圧を生成できます。 さらに、右半面ゼロ点 (RHPZ) がないため、調整ループが簡素化されます。 降圧コンバータ IC はこのトポロジで使用できます。

   

03

UK: UKコンバータは正の入力電圧を負の出力電圧に変換できます。 入力と出力に 1 つずつ、計 2 つのインダクタを使用するため、入力と出力のノイズは非常に低くなります。 欠点は、レギュレーション ループには負の電圧フィードバック ピンが必要なため、このトポロジをサポートするスイッチング モード電力変換 IC があまりないことです。

   

04

 4スイッチング昇降圧: このタイプのコンバータは近年非常に人気があります。 正の入力電圧から正の出力電圧を供給します。 入力電圧は、安定化された出力電圧よりも高い場合もあれば、低い場合もあります。 このコンバータは電力変換効率が高く、必要なインダクタは 1 つだけであるため、多くの SEPIC 設計を置き換えることができます。一般的な分離トポロジ

   

非絶縁トポロジに加えて、一部のアプリケーションでは電気的に絶縁された電力コンバータが必要です。 その理由としては、安全上の理由から、異なる回路が相互に接続されている大規模システムではフローティング接地が必要であるか、ノイズに敏感なアプリケーションでは接地電流ループを防ぐ必要があることが考えられます。 一般的な絶縁コンバータ トポロジーは、フライバック コンバータとフォワード コンバータです。

フライバック コンバータは通常、最大 60 W の電力レベルに使用されます。 回路の動作モードでは、導通時間中に電気エネルギーが変圧器に蓄えられます。 切断されると、電気エネルギーはコンバータの二次側に放出され、出力に電力を供給します。 このコンバータは構築が簡単ですが、通常の動作に必要なすべての電気エネルギーを蓄えるために比較的大きな変圧器が必要です。 一方で、このトポロジはより低い電力レベルに制限されます。 図 6 は、上部にフライバック コンバータ、下部にフォワード コンバータを示しています。

6. フライバック コンバータ (上) とフォワード コンバータ (下)。

フライバックコンバータの他に、フォワードコンバータも非常に人気があります。 フライバックコンバータとは異なる方法でトランスを使用します。 導通時間中、電流は一次巻線を流れますが、二次巻線にも電流が流れます。 電気エネルギーを変圧器のコイルに蓄えてはいけません。 各スイッチング サイクルの後、トランスが数回のスイッチング サイクル後に飽和しないように、コイルの磁化がすべてゼロになるようにする必要があります。 コイルから電気エネルギーを放出するには、いくつかの異なる技術を使用できます。 一般的な方法は、小さな追加のスイッチとコンデンサを備えたアクティブ クランプを使用することです。

図 7 に、ADP1074 を使用したアクティブ クランプ フォワード設計による LTspice シミュレーション環境の概略図を示します。 図 6 に示すように、フォワード コンバータでは、フライバック コンバータには見られない追加のインダクタンスが出力経路に存在します。 この追加コンポーネントは、関連するスペースとコストに影響を及ぼしますが、フライバック コンバータと比較して、より低いノイズ出力電圧を生成するのに役立ちます。 さらに、フライバック コンバータと同じ電力レベルでは、フォワード コンバータに必要なトランスのサイズははるかに小さくなる可能性があります。

図 7. LTspice のシミュレーションで示された、ADP1074 を使用して絶縁出力電圧を生成するアクティブ クランプ フォワード回路。

高度な分離トポロジ

   

フライバックおよびフォワード トポロジ以外にも、さまざまな変圧器に基づいた電気絶縁コンバータの概念が多数あります。 次のリストは、一般的なコンバータの基本的な説明を示しています。

• プッシュプル: プッシュプル トポロジは、フォワード コンバータ トポロジに似ています。 ただし、このトポロジには 1 つのローサイド スイッチではなく 2 つのアクティブなローサイド スイッチが必要です。 センタータップ付きの一次変圧器も必要です。 プッシュプルコンバータは、フォワードコンバータと比較して、ノイズが低く、トランスが小型であるという利点があります。 変圧器の BH 曲線のヒステリシスは、1 つの象限ではなく 2 つの象限で使用されます。
  

• ハーフブリッジ/フルブリッジ: これら 2 つのトポロジは通常、数百ワットから数キロワットまでの高電力設計に使用されます。 ローサイド スイッチの他にハイサイド スイッチも必要ですが、比較的小型のトランスで高電力伝送を実現できます。
  

• ZVS: この用語は通常、高出力絶縁コンバータについて議論するときに言及されます。 ゼロ・ボルテージ・スイッチングの略です。 このタイプのコンバータの別の用語は、LLC (インダクタンス-インダクタンス-キャパシタンス) コンバータです。 これらのアーキテクチャの目的は、効率的な変換を実現することです。 スイッチの電圧または電流がゼロに近づくと、共振回路が生成され、電源スイッチが切り替わります。 このようにして、スイッチング損失が最小限に抑えられます。 ただし、この種の設計は実現が難しく、スイッチング周波数が固定されていないため、EMI 問題が発生することがあります。

  
  

スイッチトキャパシタコンバータ

   

リニア レギュレータとスイッチ モード電源の他に、電力コンバータの 3 番目のグループであるスイッチ キャパシタ コンバータがあります。 チャージポンプとも呼ばれます。 スイッチとコンデンサを使用して電圧を乗算または反転します。 大きな利点は、インダクタンスが必要ないことです。 このタイプのコンバータは通常、5 W 未満の低電力レベルに使用されます。 ただし、最近の大幅な進歩により、より強力なスイッチト キャパシタ コンバータが可能になりました。 図8は、効率7820%、98.5Vを120Vに変換する48W設計のLTC24を示しています。

図8. LTC7820固定比率高出力チャージポンプDC-DCコントローラ。

デジタル電源

   

このホワイトペーパーで説明するすべての電源は、アナログまたはデジタル電源として実装できます。 デジタル電源とは一体何でしょうか？ 電源は常にスイッチ、インダクタ、トランス、コンデンサのアナログ電力レベルを通過する必要があります。 デジタルの側面は、次の 2 つのデジタル構成要素によって導入されます。

• 1 つ目はデジタル インターフェイスで、電子システムはこれを通じて電源と通信できます。 さまざまなパラメータを瞬時に設定して、さまざまな動作条件に合わせて電源を最適化できます。 さらに、電源はメインプロセッサと通信し、警告または障害の兆候を引き起こす可能性もあります。 たとえば、システムは負荷電流を簡単に監視したり、事前に設定したしきい値を超えたり、バッテリー温度が高すぎたりする可能性があります。
  

• 2 番目のデジタル ビルディング モジュールは、アナログ調整ループの代わりにデジタル ループを使用します。 これはうまく機能しますが、ほとんどのアプリケーションでは、エラーアンプのゲインを即座に調整したり、ループ補償パラメータを動的に設定して安定かつ高速なループを実現したりするなど、一部のパラメータに一定のデジタル影響を与える標準アナログフィードバックループを採用するのが最善です。フィードバックループ。

純粋なデジタル制御ループを備えたデバイスの例としては、ADI の ADP1046A があります。 デジタルの影響とアナログ制御ループによって最適化されたデジタル・インターフェース降圧レギュレータの例としては、LTC3883があります。

EMI に関する考慮事項

   

電磁干渉 (EMI) は、スイッチング モード電源を設計する際に常に注意を払う必要がある問題です。 その理由は、スイッチングモード電源が短時間で大電流を切り替えるためです。 スイッチング速度が速いほど、システム全体の効率が向上します。 スイッチング速度が速いほど、スイッチを部分的にオンにする時間を短縮できます。 オン時間のこの部分中に、ほとんどのスイッチング損失が発生します。 図9は、スイッチングノードにおけるスイッチングモード電源の波形を示しています。 降圧レギュレータを例に挙げます。 高電圧はハイサイド スイッチを流れる電流によって定義され、低電圧はハイサイド スイッチに電流が流れないことによって定義されます。

図9. スイッチングモード電源のスイッチング速度とスイッチング周波数。

図からわかるように。図９に示すように、スイッチングモード電源によって発生するノイズは、調整されたスイッチング周波数だけでなく、その周波数よりもはるかに高いスイッチング速度からも発生します。 スイッチング周波数は通常 500 kHz ～ 3 MHz の間で動作しますが、スイッチング時間は数ナノ秒になる場合があります。 1 ns のスイッチング時間では、スペクトル内の対応する周波数は 1 GHz になります。 少なくともこれら 2 つの周波数は電磁放射障害および伝導放射と見なされます。 調整ループの発振や電源とフィルター間の相互作用によって、他の周波数が発生する場合もあります。

EMIを低減する理由は2つあります。 1 つ目の理由は、特定の電源から電力を供給される電子システムの機能を保護するためです。 たとえば、システム信号パスで使用される 16 ビット ADC は、電源からのスイッチング ノイズを拾ってはなりません。 2 番目の理由は、さまざまな電子システムの信頼できる機能を同時に保護するために、世界中の政府によって策定されたいくつかの EMI 規制を満たすためです。

EMI には、放射 EMI と伝導 EMI の 2 つの形式があります。 放射EMIを低減するには、PCBのレイアウトを最適化し、アナログ・デバイセズのSilent Switcher®などの技術を採用することが効果的です。 そんな技術。 もちろん、回路をシールドされた金属箱に入れることも効果的です。 ただし、これは現実的ではない可能性があり、ほとんどの場合、コストがかかります。

伝導 EMI は通常、追加のフィルタリングによって減衰されます。 次に、伝導放射線を低減するための追加のフィルタリングについて説明します。

フィルター波

   

RC フィルターは基本的なローパス フィルターです。 ただし、電源設計では、各フィルタは LC フィルタです。 一般に、いくつかのインダクタを直列に追加するだけで十分です。これは、スイッチング モード電源の入力または出力容量とともに LC フィルタまたは CLC フィルタを形成するためです。 コンデンサのみをフィルタとして使用する場合もありますが、電源線や配線の寄生インダクタンスを考慮して、コンデンサを組み合わせてLCフィルタを形成します。 インダクタ１は、コイル付きインダクタであってもよいし、フェライトビーズを用いたインダクタであってもよい。 LC フィルタの目的は、実際にはローパス効果であり、DC 電力を通過させ、高周波干渉を大幅に減衰させます。 LCフィルターはダブルポールなので40dB/オクターブの高域減衰を実現します。 このフィルターは、比較的急激な周波数降下を実現できます。 フィルターの設計は簡単ではありません。 ただし、回路の寄生成分 (配線インダクタンスなど) が影響を与えるため、フィルターをモデル化する場合は、主な寄生効果もモデル化する必要があります。 このため、アナログ フィルターには非常に時間がかかります。 フィルタ設計の経験を持つ多くの設計者は、どのフィルタが適切に機能するかを知っており、新しい設計を得るためにフィルタを繰り返し最適化することがあります。

すべてのフィルターを設計するときは、ポーター図のフィルターの伝達関数などの小信号の動作だけでなく、大信号の影響も考慮する必要があります。 どの LC フィルタでも、電源はインダクタを通過します。 出力で電源が不要になった場合、突然の負荷過渡により、インダクタに蓄えられた電気エネルギーをどこかに放出する必要があります。 フィルターのコンデンサーを充電します。 フィルタがこの最悪のケースに対応して設計されていない場合、蓄積された電気エネルギーにより電圧オーバーシュートが発生し、回路が損傷する可能性があります。

最後に、フィルターは特定のインピーダンスを持ちます。 このインピーダンスは、フィルタに接続された電力コンバータのインピーダンスと相互作用します。 この相互作用により、不安定性や発振が生じる可能性があります。 LTspice や LTpowerCAD などのアナログ デバイセズのシミュレーション ツールは、これらすべての質問に答え、優れたフィルタを設計するのに役立ちます。 図 10 は、LTpowerCAD 設計環境におけるフィルタ設計者のグラフィカル ユーザー インターフェイスを示しています。 このツールを使用してフィルターを設計するのは非常に簡単です。

図 10. LTpowerCAD を使用した降圧レギュレータの入力フィルタの設計。

サイレントスイッチャー

   

電磁妨害を止めることは困難です。 特定の金属素材で作られた特別なシールドが必要です。 そうするためのコストは非常に高くなります。 エンジニアは長い間、スイッチングモード電源によって引き起こされる電磁放射障害を軽減する方法を模索してきました。 数年前、Silent Switcher テクノロジーは大きな進歩を遂げました。 スイッチング電源の熱回路の寄生インダクタンスを低減し、熱回路を2つの回路に分割し、対称性の高い配置にすることで、電磁放射障害をほぼ打ち消し合います。 現在、多くの Silent Switcher デバイスは、従来の製品よりもはるかに低い電磁放射妨害を提供します。 電磁放射妨害を低減すると、重大な EMI を発生させることなくスイッチング速度を向上させることができます。 スイッチング速度を上げるとスイッチング損失が減少し、スイッチング周波数が高くなります。 この技術革新の一例は、3310 MHzのスイッチング周波数を備え、低コストの外付け部品を使用して非常にコンパクトな設計を実現するLTC5Sです。

電源管理は必要ですが、楽しいことでもあります。

  

このホワイトペーパーでは、さまざまな電源トポロジとその長所と短所を含む、電源設計のさまざまな側面について説明します。 この情報は電力エンジニアにとって非常に基本的なものですが、専門家や非専門家にとっては、設計プロセスで LTpowerCAD や LTspice などのソフトウェア ツールを使用すると役立ちます。 これらのツールを使用すると、電力コンバータを短時間で設計および最適化できます。

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