電気回路を勉強した人は回路図は理解できますが、そうでない文系の人間にとっては回路図は大きな壁です。ここでは設計するわけではないので、スイッチング電源を大まかなブロックに分けて説明します。
スイッチング電源の回路ブロック
スイッチング電源はまずノイズを減衰する「ラインフィルタ」と突入電流を抑える「突入電流防止回路」があり、「整流・平滑回路」で交流を直流にします。まだ非安定な直流電圧をトランジスタやMOSFETで高速スイッチング(ON/OFF)して高周波のパルス状にし、「高周波トランス」に電流を流します。トランスの後段で整流ダイオードと平滑コンデンサでならし、その出力電圧を「検出回路」で検出・比較して「制御回路」で電気信号をスイッチング部へフィードバックしてパルス幅を制御して出力電圧を一定にします。
ラインフィルタ
コモンモードチョークコイルで入力側から流入するノイズと反対に電源内部から入力側へ戻るノイズを減衰させるノイズフィルタの役割になります。
突入電流防止回路
入力投入時に平滑コンデンサに流れ込むサージ電流を減らします。電解コンデンサは充電されていない時に入力すると電流が一気に流れ、充電されて電圧が上昇すると共に電流値が下がります。突入電流値は平滑コンデンサの容量で決まります。
入力ラインに抵抗を入れることで突入電流(サージ電流)は最大AC100V入力時15A、AC200V入力時30Aになります。ただし、抵抗で突入電流を抑えるやり方は電源動作時に常時、抵抗に熱損失が発生するため、100W〜150Wまでの小容量の電源でしか使えません。
それ以上の容量の電源ではサーミスタを使って突入電流を抑えます。サーミスタ方式はサーミスタが低温時に抵抗値が大きいため突入電流を抑え、その後サーミスタが高温になると抵抗値が小さくなりますので損失(熱)が小さくできます。
整流・平滑部
ブリッジダイオードで整流
ブリッジダイオードはダイオードを4つ使って交流から直流へ変換します(全波整流)。
例えば交流電源から①から⑧へ電流が流れる場合、途中の④⑤では④→⑤へ電流が流れます。
次に交流電源が反対の向きに電流が流れる場合、④⑤では⑤→④へ電流が流れるはずなのですが、ブリッジダイオードによって④から⑤へ流れるように、つまり交流の電流が流れる向きを同じ向き(直流)にできるのです。
このブリッジダイオードによって電流の向きは下の図の青の点線の部分が反対側に倒され青の実線になります(全波整流)。電流の向きは直流になったものの、このままだと電圧の変動が大きいままです。
平滑コンデンサでなだらかに
電圧が下がりすぎるのをアルミ電解コンデンサで電圧を”なだらか”にします。電解コンデンサは蓄電できるので入力電圧が低下する部分は放電することで電圧の低下を防ぐことができます。ピンクの部分がコンデンサの放電により電圧の低下を防いだ部分です。アルミ電解コンデンサを使うのは充放電するので容量がある程度必要なためです。
スイッチング部
整流・平滑した直流をトランジスタやMOS-FETでON/OFFして高周波パルスにします。トランジスタもMOSFETもスイッチングする(ON/OFFする)という意味ではどちらでも使えますが、容量が大きくなるとトランジスタだと2つ使うところMOSFETだと1つですみます。
高周波パルスのイメージはこんな感じです。
トランス
上の高周波パルス電圧をトランスで電圧を降圧します。
入力側のコアにはN1回の導線が巻かれ、出力側のコアにはN2回導線が巻かれているとします。
入力側からV1(V)の電圧、I1(A)の電流を流すと入力側の導線には赤の矢印の方向で電流が流れます。
すると右ネジの法則で入力側のコアに磁場(磁界)が下向きに発生します。
入力側はスイッチングして電流を流したり止めたりしていますので磁場が変化します。磁場が変化することで出力側のコアにはこの磁場と反対方向(上向き)の磁場が発生し、出力側には誘導電流が流れます。
V2/V1=N2/N1
また、エネルギー保存の法則で入力側の電力(電圧×電流)と出力側の電力は同じです。
V1×I1=V2×I2
制御回路
制御ICでトランジスタやMOS-FETのON/OFF時間を変化させ出力電圧を一定に制御します。
電圧が低い時はON時間を長くし、電圧が高い場合はON時間を短くします。
スイッチング電源に搭載される電子部品
スイッチング電源には多数の電子部品が使われています。回路設計が出来なくても、部品名と役割を理解しておけば電源回路ブロックを理解出来ます。
100Wの基板型電源に搭載されている電子部品で説明します。
- ブリッジダイオード(整流ダイオード)・・・・4つのダイオードを一つにパッケージ化したモジュールで、交流波形を直流の全波整流にします。
- バリスタ・・・・電圧によって抵抗値が変化する特性を利用して、静電気や雷サージからICなどの素子を保護するために使用します。
- セラミックコンデンサ(キャパシタ)・・・・電気(電荷)を蓄えたり、放出したりする電子部品。
- Xキャパシタ(コンデンサ)・・・・・電源ラインの相間(線間)に接続し、線間を高周波的に短絡することで、雑音端子電圧のノーマルモードノイズを低減する役目です。
- チョークコイル(インダクタ)・・・・放射ノイズの発生源となるコモンモードの成分だけを選択して除去します。
- MOSFET・・・・Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor の略で「金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ」と訳します。このMOSFETでスイッチングして電圧を制御しています。
- フォトカプラ・・・・LEDと受光素子(フォトダイオード)をICのパッケージに入れたもの。LEDに電流を流すと受光素子がONします。LEDと受光素子は電気的に絶縁されています。