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AC100V から DC12∼24V を作る電源 七つ道具そのà

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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
AC1
00V 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
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