第6章七つ道具その à 制御回路とパワー MOS を内蔵する便利な IC で簡単設計 AC１００V から DC１２∼２４V を作る電源浜田智 Satoshi Hamada 本章では，100 V の交流電源から各部の DC − DC コンから直流（DC）へ変換するものを「DC − DC コンバーバータに供給する 12 ∼ 24 V のバス用直流電圧を作る AC − DC スイッチング電源を紹介します．イントロダタ」と呼んでいます．あえて違いを述べるならば， AC − DC 変換には絶縁が必須という点ぐらいでしょうクションの想定システム（図 9）のタイプ F の電源です．スイッチング電源は，ユニット・タイプの市販品がか．特集では，これら一般の呼称に習った表現を使っています．たくさん出まわっています．これらは高い品質管理のもとで製造されており，とても低価格です．できる限これまで紹介してきた DC − DC コンバータと同じように，スイッチング電源用の便利な IC が手に入るりユニット・タイプを使うほうが，開発時間を短縮でようになりました．本章で紹介するのはパワーインテきますが，実際開発を進めていくと，電圧や容量，形状など，希望の仕様に合わないことがしばしば起こりグレーションズ社の TOP スイッチという制御 IC です．パワー MOSFET や制御に必要なほとんどの回路を内ます．まだまだ，個別仕様のスイッチング電源を必要とする場面が多いことは確かです．蔵しています．これを使えば，手間をかけずに希望の仕様に合ったスイッチング電源を簡単に設計できます．スイッチング電源の基礎知識 ● スイッチング電源と DC − DC コンバータは同じものスイッチング電源の基本構成を図 1 に示します．第 5 章のトランスを使った DC − DC コンバータとよく似ています．というより，本来，両者はまったく同じも ● スイッチング電源は小型で軽量…その秘密は？トランスは周波数を高くして使うと小型化できる従来，交流から直流を作る際に，写真 1 に示すようのなのです．不思議と市場では，交流（AC）から直流（DC）を作る電源のことを「スイッチング電源」と呼び，直流（DC）トランスダイオード・ブリッジ AC100V な電源トランスが使われています．この電源トランスは，商用周波数の 50/60 Hz に合わせて設計されてい OUT R1 C2 Q C1 Vout DC12V R2 PWM 制御回路フォト・カプラエラー・アンプ Vref 2.5V 図 1 スイッチング電源の基本構成写真 1 電源トランスの外観 Keywords スイッチング電源，パワーインテグレーションズ，TOP スイッチ，トランス，フライバック，シャント・レギュレータ，ON 抵抗，間欠動作，AL 値，スペーサ・ギャップ，放熱器，スナバ回路 170 2005 年 3 月号特集＊すぐに使える！電源設計クックブックるため，どうしてもサイズが大きくなり，ずっしりと感じる重量もあります．しかし周波数を高くして使う市販のスイッチング電源の多くが．IC による発振器がなくても勝手に発振する RCC（Ringing Choke と，小形のトランスでも同じ電力を扱えるようになります．この原理を生かしたのが写真 2 に示すスイッチ Converter）と呼ばれるフライバック方式を採用しています．フォワード式は，トランスにギャップを設けず，まング電源です． 50/60 Hz よりも動作周波数を高くする必要がありますから，別途発振器が必要です．発振器以外に制御た，2 次回路にチョーク・コイルが入っているので，ノイズ特性が良いという特徴があります．ただし，ト回路が必要になることもありますから，従来の電源トランスと数個の受動部品で作られている電源と比べるランスのほかにトランスと同じサイズのチョーク・コイルが必要になるので，スペースの面と価格アップのと，構成は複雑です．ですが，そのようなデメリット問題が生じます．センタ・タップ式を含む，ブリッジよりも小型軽量になるというメリットが優って，今日まで大きな発展を続けてきました．式は数百 W から kW クラスの電源に使われています． AC１００V からDC１２V を作る出力６０W のスイッチング電源 ● スイッチング電源回路のいろいろ図 2 に主だったスイッチング電源回路方式のバリエ入力電圧 AC85 ∼ 115 V 出力電圧/電流 12 V/5 A ーションを示します．フライバック式やフォワード式は比較的小容量の電源に採用されています．フライバック式は図 2（a）∼ （e）のなかで，構成部品数が最小の方式です．そして ● 出力につながる負荷が消費する電力の合計を見積もる各部の DC − DC コンバータへ 12 V を供給するバス電源をパワーインテグレーションズ社の TOP スイッチ・シリーズを使って設計します．表 1 想定システム（イントロダクションの図 9）の負荷が消費する電力の合計を見積もる 12 V バス電源の負荷出力電圧出力電流出力電力液晶ディスプレイ，サーマル・プリンタなどタッチ・パネル，LED などマイコン，DSP，FPGA など RF 回路など I out N2 C RL L N1 Vout 17.5 W 5V 0.5 A 2.5 W 3.3 V 1.0 A 3.3 W 24 V 0.5 A 12 W アナログ回路① ± 15 V 0.15 A 4.5 W アナログ回路② ±5 V 0.3 A 3.0 W 42.8 W L N2 Tr1 C Vin Vin 3.5 A トータル電力写真 2 スイッチング電源ユニットの例［RMC15A，コーセル］ L N1 5V Vout L L Vin N2 C N1 Vout Tr2 （a）フライバック型（b）フォワード型 C L L Vin N1 （c）センタ・タップ型 L L N2 C Vout Vin C N1 N2 C Vout C （d）ハーフ・ブリッジ型図 2（9）（e）フル・ブリッジ型スイッチング電源回路方式のいろいろ 2005 年 3 月号 171