SWITCHING POWER SUPPLY KNOWLEDGE
家電製品には電源が内蔵されていますが、普段私たちが電源を目にすることはありません。ノートパソコンなどのＡＣアダプターくらいが見たり触れたり出来る電源です。
ＡＣアダプターと「スイッチング電源」とは回路方式が異なります。ＡＣアダプターはコスト優先のために回路は簡易的なものですが、スイッチング電源は工場や病院・駅などで使う装置や機器に内蔵されるため、安定性・信頼性・長寿命が求められます。
スイッチング電源とは
最初に普段私たちが使っているノートパソコンを例にとって「電源」を説明します。ノートパソコンも電源は使っていて黒い「ACアダプター」と言えばわかると思います。
一方、パソコンの中には基板がありその基板上に半導体集積回路(IC)などの電子部品がたくさん搭載されています。スイッチング電源はそれら電子機器に内蔵されている電子部品にエネルギーを供給する重要な役目を担っています。
多くの電子部品は低圧の直流電圧(DC)で動作します。例えばマイクロプロセッサはDC3.3V以下で動作しますしLEDは12V、モーターやセンサーはDC12V、オペアンプは±12V、ドライバーICはDC5V、DC/DCコンバータはDC48Vなどで動作します。
交流電圧(AC)をそのまま電子部品にかけると電子部品が壊れてしまいますのでACアダプターやスイッチング電源などで低圧の直流電圧に変換することになります。
本来は半永久的に使えるバッテリーがあればいいのですが、そもそもそんなバッテリーはありませんし使えても半日程度です。どこでもパソコンに入力できる電源は？と言うとコンセントから電源をとるしかありません。それでコンセントの交流電圧(AC)を直流(DC)にする電源が必要になってくるわけです。
工場や研究所で使う装置や機器もパソコンと同じで内部にはモーターやリレー、ファン、電子部品などがあり全て直流電圧で動作します。装置や機器が安定した動作をするためには交流電圧が変動してもスイッチング電源は安定した直流電圧を装置側に供給しないといけません。それでスイッチング電源を「直流安定化電源」という言い方もします。同時に高信頼性（長寿命）と安全性（発煙発火しない）・耐環境性（低ノイズ）も求められるのです。
スイッチング電源とドロッパー電源
重くて大きいドロッパー電源
直流安定化電源はその回路方式によりドロッパー電源（リニア電源）とスイッチング電源に大別されます。ドロッパー電源は50年前には一般的な回路方式でしたが、その大きさと重さ、コストはスイッチング電源の5〜10倍も大きく重くなります 。例えばパソコンの300W程度の電源はトランスだけで数kgの重さになり実用的ではありません。
ドロッパー電源の回路方式は単純でトランスによって電圧を変換しています。スイッチング制御しないためスイッチングノイズは発生しませんので、現在ではノイズを嫌う計測・測定機器の限られた用途にのみ使われています。
スイッチング電源の歴史
NASA/アポロ１６号
一方、スイッチング電源は約50年前にＮＡＳＡが月にロケットを打ち上げる際に開発した小型軽量の電源です。アポロに電源を乗せるにはドロッパー電源では大きく重すぎたのです。スイッチング電源はトランジスタなどの半導体を高速スイッチング（ON/OFF）することで高周波パルスを作りその出力電圧を変換します。
大さっぱに言うと100Vを1/2 ONすると50Vになり、1/4 ONすると25Vになるということです。トランジスタがONしている間だけ電流が流れますので、電力消費が少なく効率がいいのです。ドロッパー電源の効率は40〜50%に対して現在のスイッチング電源の効率は80%弱からいいものだと95%にもなります。高速でスイッチングしますから大きいトランスも小さくできたのです。
ただし、スイッチング電源は高速でスイッチングするため、出力電圧にスイッチング周波数に合わせてスイッチングノイズが乗ってきます。コンデンサを出力端子につけたりしてノイズのヒゲの先はカット出来ますが全てをカットできるわけではありません。電源のノイズは電源自体や電源が搭載された装置の誤動作だけでなく他の装置や人体にも影響を及ぼすことがあるので各種安全規格や法令の規制を受けています。ほとんどの国では国際規格のIEC（国際電気標準会議）とCISPR（国際無線障害特別委員会）規格に準じたEMC規格が制定されています。例えば欧州のEN規格、米国のFCC規格、日本のJIS規格、ドイツのVDE規格などがあります。
スイッチング電源のノイズはドロッパー電源（シリーズ電源）の10倍程度の大きさです。金属板で電源を囲ったりノイズフィルターを入れたりして電源から発生したノイズを遮断・減衰させます。今でもドロッパー電源が医療機器や計測機器の一部に使われていますが、ノイズフィルターの性能が上がってきたこともあり、スイッチング電源とノイズフィルターの組み合わせで使われるのが一般的です。
スイッチング電源の種類
定電圧電源と定電流電源
スイッチング電源とひとくくりに言ってもたくさんの種類があります。まず出力電圧を一定にする「定電圧電源」と出力電流を一定にする「定電流電源」に分かれます。スイッチング電源だからといって必ず定電圧電源というわけではありません。
LEDやバッテリーなどは定電流を要求されますし、最近はますますその需要が増えています。ところが定電流電源のメーカー自体が限られており定電流電源の種類も少ないためにカスタム電源にせざるを得ないことが多いです。
それで定電圧電源の過電流保護機能を利用して”簡易的”に定電流電源として使うことがあります。過電流保護は定格電流より電流が多く流れると電流値はそのままで電圧だけが下がります。電流値が下がり過電流状態でなくなると電圧値も定格電圧に自動で戻ります。
この過電流保護の動作するポイントをボリュームなどで変えることで定電流電源として使えます。ただし、過電流保護の動作が「垂下方式」の電源に限られ「フの字方式」や「ハの字方式」では定電流電源としては使えません。電流値の精度がラフな定電流制御でいい場合に限られます。
標準電源とカスタム電源
スイッチング電源には「標準電源」「カタログ電源」「準標準電源」「カスタム電源」「特注電源」があります。
標準電源とカタログ電源は同じ意味で電源メーカーがカタログやHP上に製品の仕様や寸法、データ類を載せて不特定多数のユーザーに販売する電源です。
多くのユーザーが使いやすいように平均的な電気仕様で安全規格を取得し、形状・取り付けは業界の標準的なサイズにしています。ユーザーは1台から注文することができ、電源メーカーの一次特約店や二次販売店、地場商社、WEB販売店を経由して購入することができます。
準標準電源は標準電源にオプションを追加したモデルになります。オプションはモデルごとにいくつかあります。例えば「ON/OFFコントロール」や「出力電圧可変ボリューム」「縦型端子台」などのオプションは機種名の最後にRやV、Tなどの英数字をつけて判別します。価格はオプション分が追加され、納期は1〜2ヶ月程度です。基本は受注生産品と考えた方が賢明です。
カスタム電源と特注電源は同じ意味です。ある特定ユーザー向けに最終製品の仕様に合わせて設計・製造される電源です。そのため電気仕様・形状は標準電源にはない特殊な仕様になります。逆に言えば、標準電源では適合する電源がなかったので、仕方なくカスタム化したとも言えます。
カスタム電源の用途は様々ですが主に民生用機器に使用されます。民生用機器に使われる電源は機能・形状・サイズ、さらにコストの制約が厳しくそれ専用に設計する必要があります。
データや安全規格は費用の関係もあり、ユーザーが必要なものだけを取得することになります。カスタム電源は設計開発費や規格取得費用は全てユーザー負担になりますのでよほど台数が見込めない限り特注化すべきではありません。
一般的には月500台以上、年間5,000万円がカスタムの最低ラインと言われています。カスタム電源は終息の時期や発注ロット数でトラブルになることが多く、最初にしっかり契約書に記載しておく必要があります。
普通は「標準品＝大量生産＝安価」「カスタム品＝少量多品種＝高価」ですが、スイッチング電源業界では全く逆の「標準品＝少量多品種＝高価」「カスタム品＝大量生産＝安価」であるといわれます。確かに1ユーザーから見ればそうですが、標準品は日本全国の多数のユーザーから注文を集めて電源メーカー側でまとめて生産しているのです。
スイッチング電源の形状
スイッチング電源には形状別の分類があります。「ユニット型」「基板型」「DINレール型」「オンボード」「パワーモジュール」「マルチスロット」などがです。それぞれについて説明します。
ユニット型
ユニット型はシャーシとカバー付きの箱型（ユニット型）の形状をしています。カバーなしも選択できます。カバーなしのメリットは放熱しやすくなり負荷率（ディレーティング率）や電源の寿命が伸びることです。同じ環境条件であれば約10℃電解コンデンサの温度が下がりますので寿命は2倍伸びることになります。
電源の置き方は下の写真の縦置きが標準の置き方です。他の置き方もできますが、標準置きの60〜70%しか負荷容量（ワッテージ）が取れなくなります。電源メーカーは設計時にこの標準置きを基準に熱設計をしていますので一番負荷容量がとれ寿命が長い置き方になります。
メーカーの仕様書に電源の置き方による負荷率（ディレーティング率）がありますので確認してください。
電源の置き方は１つだけ絶対してはいけない置き方があります。それはシャーシを天面にした置き方です。この置き方にすると熱が電源内部にこもり電解コンデンサやトランス、ICの温度が上がりすぎて故障の原因になります。メーカーでもこの置き方は保証対象外としています。
またユニット型電源の容量は15W〜3,000Wまであり300W以上にはファンが付きます（300Wでもファンレスもありますが）。FETなどの高温部品をシャーシに密着させて放熱しますので比較的長寿命です。機能やオプションも充実しており価格は基板型電源より高くなります。
ユニット型電源は制御盤やFA工作機械、半導体製造装置、医療機器、通信装置など信頼性を要求される装置や機器に幅広く使用されています。また、電源メーカーにとってもユニット型電源は売上に占める割合も高く廃品のスパンは20年以上になります。
基板型
基板型はシャーシ・カバーが不要なユーザー向けのローコスト電源です（オプションでシャーシやカバー付きは選べます）。一番の特徴はその薄さ（高さ）でユーザーの装置内に他の制御基板などと並べて使われることが多いです。
また基板型電源はファンがないので基板上の放熱フィンで放熱させますが、どうしても放熱フィンの大きさに制限があり電源を縦置きで立てて使うと定格電流の60〜70%しか出力がとれません。寿命もユニット型に比べると見劣りしますが、価格面ではユニット型電源の70〜80%ですので民生品の装置や機器には最適です。
DINレール型
DINレール型は制御盤用の電源で、電源背面のアタッチメントでDINレールにワンタッチで取り付けられるようになっています。電源が空中に浮いた状態になりますのであまり重いものは取り付けられませんが、電源底面の風穴から上へ風が抜ける構造になります。
入力電圧はAC100/200Vと3相200Vが一般的です。メーカーよっては3相400Vがあるのも特徴で容量は1500Wまであります。最近ではIoT対応の通信付き高機能の機種も発売されていて、入力電圧や出力電圧・電流値や保護機能の設定値、累積稼働時間、電源残寿命時間、電源内部温度などを常時モニター可能です。
また、ユニット型電源にDINレールの金具をつけることもできます。ユニット電源は出力電圧の種類も多く価格もDINレール専用電源より安いので使用するユーザーも多いです。
オンボード
オンボードは直接基板に搭載するタイプの電源でDC/DCコンバータなどです。写真のタイプはピンを基板のホールに通し半田付けして使います。ピンが2列に並んでいるものをDIP（ダブル・インライン・パッケージ）といいます。1列にピンが並んでいるものはSIP（シングル・インライン・パッケージ）と呼びます。
容量は1.5W〜30W程度、最近はバッテリー入力が多く電圧が振れることからワイド入力電圧の電源が好まれます。寿命部品である電解コンデンサを使っていないので電コン寿命がないことも特徴です。
また、DC/DCコンバータは「絶縁」と「非絶縁」に分けられます。絶縁は一次側（入力側）と二次側（出力側）が電気的に直接つながっていないので安全性が高くなります。非絶縁は絶縁されていませんが、小型・低価格なため絶縁が必要のない回路の箇所に使われます。
パワーモジュール
パワーーモジュールも基板上に直接ピンに半田付けします。放熱はピンとは反対側のアルミ製ベースプレートに放熱フィンをつけて風を当てるか、装置本体の金属部分に密着させて放熱します。
パワーモジュールは単体だけで使うことはできず周辺の回路設計が必要になります。パワーモジュールはいわば電源回路の一部分をパッケージしたものです。ユーザーはディスクリートの部品で電源を設計することを考えると、パワーモジュールを使うことで回路設計が楽になり設計工数が省けます。容量は700Wまでありオプションも色々用意されています。
マルチスロット
出典：コーセルACEシリーズ
マルチスロットはケースの出力部に4〜6スロットがあり、希望の電圧電流の出力モジュールを入れて使います。特注電源を標準電源でも使えるようにした画期的な製品で、特注電源に必要な開発費・規格取得費・開発期間などは一切不要です。
スロットに入れるモジュールは様々な出力電圧（単出力、2出力）が用意されており、モジュール同士の直列・並列接続も可能です。各種安全規格も取得済みでオプションも豊富で容量は300w〜3KWまであります。 その組み合わせごとにそれぞれ機種名が登録され、メーカーがモジュールを入れて完成した状態で出荷します。
スイッチング電源の出力
出力電力は出力電圧(V)と出力電流(A)をかけた値です。5V10Aの電源は50Wですし24V4Aの電源は96Wということです。
出力電力(W)＝出力電圧(V)×出力電流(A)
普通は同じ定格出力電力(W)の電源は同じ容量なのですが、実は電源の周囲温度により流せる電流値（出力電力）は違ってきます。というのは周囲温度ごとに出力できる電力（電流値）が電源ごとに、もっと言えば出力電圧ごと、置き方ごとに決まっているのです。
定格出力電力に対する出力できる電力の割合を負荷率（ディレーティング率）といい、ディレーティング表はメーカーのカタログやHPに「仕様規格」または「取扱説明」で公開されています。なお、ここでいう「周囲温度」は室温ではなく装置内の電源の周囲温度のことで、室温＋15℃と規定されていることが多いです。
負荷率(％)＝出力電力(W)÷定格出力電力(W)×100
例えば100Wの電源AとBがあるとします。電源AもBも同じ100Wで24V4.2Aを出力することができます。電源Aのディレーティングは黒線のグラフ、電源Bは赤線のグラフで表しています。
周囲温度0〜40℃までは電源A,Bとも100%で使えますが、周囲温度50℃では電源Aが100%で使えるのに対し電源Bは80%、周囲温度60℃では電源Aは80%に対し電源Bは60%、周囲温度70℃では電源Aは60%まで使えるのに対し電源Bは使えません。
つまり、電源の周囲温度が50℃近くまでになる場合、電源Aはそのまま100Wの電源として使えますが電源Bは80Wの電源になるということです。電源Bは上の容量の150Wを使わないといけないことになります。
また、電源Bが電源Aより左へ10℃スライドしていますから電源Aより10℃温度が高いとも言えます。アレニウスの10℃2倍速の法則で考えると電源Bは電源Aの半分の寿命ということになります。実際は回路方式や使用部品など違いますので単純には言えませんが、ある程度の目安にはなります。
スイッチング電源の寿命
厳密に言えばスイッチング電源の寿命部品には「アルミ電解コンデンサ」と「ファン」以外に「フォトカプラ」「リレー」「ヒューズ」「はんだ接合部」の４つがあります。
フォトカプラは周囲温度やCTR（入力電流に対する出力電流の割合）により経年劣化し寿命がありますし、リレーも10万回入り切りすれば寿命です。
はんだ寿命はプリント基板と電子部品の熱膨張係数が異なるため、その接合部である「はんだ」にストレスがかかりリードの周りに円状のクラックが発生します。両面基板と片面基板と差がありますが数年レベルで発生する事はありません。症状は一時的な出力停止が多く、はんだクラック部も一部が繋がった状態です。振動を加えると出力したり停止したりします。しばらくその状態が続いた後、完全に出力停止します。一日に何回も電源を入り切りしたり、温度変動の大きい場所で起きやすい不具合です。
ガラス管ヒューズも銅線なので持つと言えば持つのでしょうが、規定以上の電流が流れた時に切れないといけないので一般的にはヒューズメーカーは10年を推奨交換時期としています。
電源には以上の寿命部品がありますが、一般的にはスイッチング電源の寿命部品はアルミ電解コンデンサが一番短い部品としています。 アルミ電解コンデンサは電解紙に電解液を含浸させリード線と共にケースに入れています。
アルミ電解コンデンサの寿命メカニズムは以下の通りです。
- アルミ電解コンデンサ内部の電解液が徐々に外部に蒸散
- 静電容量の減少、ESR（抵抗値）の増大
- 自己発熱による電解液膨張、蒸散スピード促進
- 電解液のドライアップ
- オープン状態
アルミ電解コンデンサの寿命は電解液が当初から20％減少した時と定義されています。電解液の容量は静電容量と言いμF単位で表記されます。電解液が20％低下しても電解コンデンサ単体のリップルが若干増える程度で電源に対してはほとんど影響がありません。使い続けると最終的にはドライアップしオープン故障し電源の出力が停止します。何％で電源の仕様規格を満足しなくなるのは電源により、電解コンデンサの場所により様々でわかりません。ただ20％減少してから加速度的に電解液が減少しますのでこの時期で交換するか電源を新品に交換します。
電解コンデンサの寿命は負荷率（ディレーティング率）と周囲温度によって決まります。電源には数本〜10数本の電解コンデンサが使われておりその中で一番寿命が短い電解コンデンサが電源の寿命が電源の寿命になります。また、電源の置き方などで一番短い電コンは変わることがあります。
そもそも電解コンデンサの寿命は電コンメーカーがＬ0値としてカタログ上に記載しています。一般的には105℃、5,000Hの保証が一般的です。「電解コンデンサのケース温度を105℃まで使用することができ、5,000時間保証します」という意味です。
5,000時間というと連続運転で半年程度しか寿命がありませんが、これはあくまで電解コンデンサのケース温度が105℃時で使用した時の寿命です。中にはＬ0＝1万数千時間という長寿命品もありますが機種が少なく高価格で長納期なので標準品の搭載は難しいです。
基板温度は何も対策しなければ100℃まで上がることは珍しくなく、この温度をどう放熱し電解コンデンサや他の電子部品に影響がでない温度まで下げることが電源メーカーのノウハウになります。
普通70℃程度で電解コンデンサ（ケース温度）は使われますので、105℃から30℃温度が下がると寿命は2の3乗＝8倍伸びます。つまり5,000時間は4万時間（4.5年）まで寿命が伸びることになります。
この電解コンデンサの寿命計算値はHP で公開しているメーカーもあれば、公開していないメーカーもあります。
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。
スイッチング電源の使用例
ＶＰＮルーター
企業のセキュリティ対策のため設置されるＶＰＮルーターです。ホコリも少なく空調のきいたサーバー室で使用されます。電源は75W程度の単出力の基板型電源が使われます。装置ケースに入れるためＬ板金とカバーは必要ありません。以前は海外向けと国内向けに分けていましたが、最近はAC100V専用入力電源とAC100/200Vワイド入力の価格差が小さくなったこともあり、海外向けと国内向けは共通化しています。
制御盤
工場やビル・マンションなどの機械・装置を制御するためのに使われる電気制御盤です。電源は24V出力でＤＩＮレールにはめて使うタイプのものがよく使われています。最近では通信機能を備えたものも発売されています。
ホームドア
国交省が10年くらい前から積極的に導入を各鉄道会社に進めてきたこともあり、よく見かけるようになりました。目の悪い方が誤って線路に転落する事故防止には効果大です。ホームドアは制御部とセンサ部に分かれていて制御部は制御基板とモーターを動作させる5V/24V出力、センサー部は12V出力の50〜150W程度の電源が使われています。振動や鉄粉などホコリも多く決して環境はよくありません。
ＦＡ工作機械
ＣＮＣ旋盤（コンピューター制御）、マシニングセンター（自動工具取替え機能）、レーザー加工機など多くの工場で稼働しています。24時間運転することもあり装置が止まるとラインがストップするので価格よりも電源の実績・信頼性が重要視されます。ここで使われる電源はユニット型の5Vか24Vの単出力電源が多く使われています。
ＣＴスキャン
病院の検査室に設置されており稼働時間も少なく電源の環境条件は非常にいいです。電源はモーター駆動用の24V出力電源が使われています。電源の設置スペースが少なく600W程度の電源を分散するなどの工夫をしています。
ＦＡロボット
数年前のアベノミクス規制緩和でモーター容量などの規制を満たせば作業員の隣でロボットを動作させることができる（協働ロボット）ようになりました。電機・電子メーカーの基板アッセンブリ工程の人の腕の動きは「双腕ロボット」の水平の動きに代用させることができます。ロボットの腕は柔らかい塩化ビニルでできており人が触れるとセンサーで自動でストップします。人手不足の流れもあり各ロボットメーカーから様々なタイプの製品が発売されています。
人工透析機
空調のきいた病室内で使用されますので環境条件はとてもいいです。電源はIＥＣの医療規格を取得したマルチ出力電源が使われます。容量は600W程度で絶縁性と低リーク電流が要求されます。また装置全体で医療規格を取得していることもあり電源を変えることはできません。
ＬＥＤ看板
ＬＥＤ看板は屋外で使用されることもあり電源には防水性・防塵性が必須です。ＩＰ規格を取得しかつＰＳＥ認定の電源が使われています。また看板に直射日光も当たり看板内の温度は高くなりますので環境条件は非常に厳しいです。電源はＬＥＤモジュールの種類により定電流電源と定電圧電源どちらも使われます。
スタジアム大型ビジョン
最近はほとんどの野球場やスタジアムなどに設置されている大型ビジョンです。数千台のＬＥＤモジュールを並べて構成していますので、ＬＥＤの色合わせが一番の肝になります。ＬＥＤのＶｆ値のばらつきの少ない国内ＬＥＤメーカーが使われることが多く、電源はＬＥＤモジュールにそれぞれ1台搭載されています。
