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DC/DCコンバータ 簡単にDC/DCコンバータのキホンを理解できる!

DC/DC CONVERTER  KNOWLEDGE

DC/DCコンバーターの入力電圧は直流(DC)、出力電圧も直流電圧(DC)の電源をいいます。チップ部品を多用して、他の電子部品と同じようにプリント基板に実装出来るように小型化したオンボード電源です。小型・薄型の特性を生かして通信機器装置など幅広い業界の装置に使用されています。このDC/DCコンバーターとAC/DCコンバーターを組み合わせて機器や装置に最適な電圧・電流を供給します。

負荷の電子部品はそれぞれ最適な電圧・電流が異なります。標準的な電圧はモーターは12〜14V、HDDは5Vまたは12V、オペアンプは±12V、HICは3.3V以下などです。また、電子部品に供給される電圧はDC/DCコンバーターの入力電圧や負荷急変に対する電圧の安定性が求められます。

パソコンの基板

パソコンの基板

私たちの身の回りでDC/DCコンバーターが使われているのはノートパソコンです。ノートパソコンのバッテリーの電圧を 3.3Vや5V 、12V など電子部品の入力電圧に変換するのにたくさんの DC/DCコンバーターが使われているのです。バッテリーの電圧は充放電により大きく変化しますが、DC/DCコンバーターの出力電圧は常に一定になるように制御されます。このDC/DCコンバーターのおかげでノートパソコンの電子回路は正常に動作しているわけです。

DC/DCコンバーターの種類

 DC/DCコンバーターには大きく「絶縁型」と「非絶縁型」に分かれます。絶縁とは一次側と二次側が電気的に繋がっていないことを言い、非絶縁とは一次側と二次側が電気的に繋がっていることを言います。わかりやすく言えばトランスを使っていれば絶縁、使っていなければ非絶縁です。

別の言い方をするとトランスを使わない非絶縁型回路を「チョッパー」と言いいます。チョッパー回路を使えば直流電圧の昇圧や降圧ができるのですが、あまり大幅な昇圧や降圧はできません。実用的にはおおむね昇圧なら10 倍、降圧なら1/10 程度の昇降圧が限界です。それ以上の昇降圧が必要な時は回路の内部にトランスがある絶縁型DC/DCコンバーターを使います。

絶縁型DC/DCコンバーター

 トランスを有する DC/DC コンバータを絶縁型 DC/DC コンバータと言います。トランスには入出力の絶縁という重要な機能があり、この機能が必要な場合は昇降圧の比率が小さい場合でもトランスを使います。容量の大きい電源にも対応した信頼性の高い本格的な電源です。ただし、トランスを内蔵しているために小型化とコストに難があります。

 DC/DC コンバータのスイッチ素子(トランジスタ)は数10kHz~数100kHz の高周波でスイッチング動作します。トランスは周波数が高いほど小型になるという性質があり、50Hz や60Hz で動作するトランスと比較すると DC/DC コンバータの発振周波数は単位がKHzで小型軽量化されています。

また、人が接触する可能性のある電気回路は危険な電圧からこのトランスで「絶縁」する必要があります。ノートパソコンの側面にはいろんなコネクタがあり、人が容易に触ることができますのでノートパソコンの回路はAC100Vからトランスで絶縁します。そのためノートパソコンの充電器のDC/DCコンバーターには必ず絶縁型 DC/DC コンバータが使用されています。絶縁型 DC/DC コンバーターのトランスのおかげで安心してノートパソコンを使用することができるのです。

 

非絶縁型DC/DCコンバーター

 チョッパー回路は非絶縁型 DC/DC コンバータとも言います。非絶縁型DC/DCコンバーターはトランスを用いていませんので小型で低価格のメリットがあります。電気的には一次側と二次側は電気的に繋がっていますが、出力電圧が1.8V、1.5V、1.3V、0.8Vなど低圧のため感電の危険性はありません。

 また、トランスを使わないことで、高効率で発熱が少なくヒートシンクが不要になるのでプリント基板の負荷(IC)の近くに非絶縁型DC/DCコンバーターを実装できるメリットがあります。 

 代表的な非絶縁型DC/DCコンバーターは「POL」です。POLは「Point of Load」の略称で、負荷の近接という意味です。負荷ICの直前にPOLを置くことにより電圧ドロップを減らしノイズの影響を受けにくくなります。

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