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電源回路設計についての概要、用途、原理などをご説明します。また、電源回路設計の11社一覧や企業ランキングも掲載しております。電源回路設計関連企業の2025年2月注目ランキングは1位:カイロスキ株式会社、2位:NECプラットフォームズ株式会社となっています。
監修:カイロスキ株式会社
電源回路設計とは電子機器や電気機器の電力供給回路を設計するプロセスであり、特に電源に特化した設計を行う専門サービスのことを指します。
対象機器の要求に応じた電圧・電流、効率、サイズ、コストそして安定性などの要件を満たすことを目的に設計します。設計された回路は機器のニーズに合わせて最適化されるため、効率的な電力供給が可能です。これにより、エネルギーの無駄を減少させ運用コストを低減することができます。
また、電源回路を適切に設計することでシステム全体の安定性を向上させることも可能です。特に高精度な電子機器では電圧の変動やノイズに対する耐性も重要な要素です。適切なフィルタやレギュレーションを施すことで外部影響から機器を保護することができます。
以下のような場合に電源回路設計を実施します。
産業機器における電源回路は非常に重要です。AC（交流）電源をDC（直流）電源へ変換する整流器や、昇降圧コンバーター、高負荷に耐えられる大容量電源など様々な要求に応じた専用電源がございます。例えばモーターなどの駆動に必要な高信頼性の電源回路や様々な負荷接続を想定したマルチタップ電源回路、負荷変動に対し一定の電圧/電流を維持する定電圧/定電流電源回路など用途に応じ電源回路を最適化することで小型化・差別化・低コスト化が実現できます。
特に産業機器業界では一度採用されると数十年以上同じ電源回路を使用し続ける事も少なくなく、高い性能を持つ電源回路の実現に加え、個体差が少なく入手性の良い部品の選定や外的要因に対する耐性など高い設計品質が求められます。
特に昨今は世界的な環境意識向上も顕著で化石燃料を使用したエンジン搭載機器の電動化が加速するなど様々な分野で電源回路設計の需要が高まっております。
家電化製品においても電源回路設計は非常に重要です。AC電源をDC電源に変換する整流回路や変換効率を上げるための力率改善回路、電気的効率を上げるための最適なトランス設計や損失の少ないスイッチング素子を選定することも重要です。
また、最新のエネルギー効率基準に準拠するためにスイッチング電源技術を導入し、待機電力を削減することで環境に優しい製品を提供します。電源からのノイズを減少させるフィルタ回路を採用することで、他の家電製品とへの干渉を防ぐ工夫もされています。
通信業界では、通信機器の信号品質を維持するために高精度な電源が重要です。電圧の安定性と低いリップル電圧を実現するための精密なレギュレーターや、DC-DCコンバーターが必要とされます。加えて、電磁干渉を低減するためのシールドやフィルタリング技術も重要であり、これによって信号の品質を保ちます。さらに、通信の安定性を確保するために、冗長な電源システムやバックアップ電源が設計に組み込まれることも多いです。
自動車内の電子機器は高温や振動に耐えるために特別な設計が必要で、耐熱性のあるコンデンサやコネクタが使用されます。また、ハイブリッド車や電気自動車では、バッテリーの充放電を効率的に管理するための高度な電源回路が求められます。事故の際に電力を安全に遮断できる設計も必要です。
電源回路では、入力電圧を処理して必要な出力電圧・電流を生成するための変換回路が重要です。
電源変換回路の内部ではスイッチング技術が広く用いられます。スイッチング電源回路はトランジスタなどのスイッチング素子を高速でオン・オフすることで、エネルギーの損失を最小限に抑えつつ電源電圧を変換します。この方式により、軽量で高効率な電源回路を実現します。
また、電源回路の安定性を保つために、フィードバック制御がを用いることも多いです。フィードバックループを構築して出力電圧・電流を監視することで、負荷変動に応じて電圧を調整することが可能です。この技術により負荷変動や入力電圧の変動に対しても安定した出力を得られます。
最後に、電源回路は熱管理も重要な要素です。高出力の回路では発生する熱を適切に管理しなければなりません。ヒートシンクやファンなどの冷却手段を使用して、デバイスの性能と寿命を確保します。
電源回路設計を外部委託する場合、以下の点に留意することが重要です。
経験と専門知識は非常に重要です。サービス提供業者会社が特定の分野に委託したい分野において豊富な開発経験を持ちっているか、過去のプロジェクトや成功事例を参考にする必要があります。
また、電源回路は年々要求性能が高まっており、高効率・小型化・低コスト・低発熱・低ノイズ性など多くの相反する要求を同時に満たす技術が必要ですが、事前シミュレーションによって発熱量やノイズ量など性能を完全に予測することが困難であり、一度試作品を製造し、実機検証結果を元に再検討や改版を行い期待する性能まで引き上げる必要があります。
高品質回路の実現には各開発会社が保有するノウハウや技術力によって大きく異なりますので、価格や納期だけで委託先を選定せず実績や技術力、開発メソッドやコミュニケーション力などを確認した上で決定することが必要です。
コミュニケーション力はもちろん、提案力や柔軟性、カスタマイズ性も確認すべき要素です。自社のニーズに応じ迅速なコミュニケーションが取れ、要望に対し柔軟に対応が可能です。
改版やカスタマイズ性を意識した基本設計が行われているかを見極めます。特殊な要件や特定規格に適合する必要がある場合、予めコミュニケーションを通じ安心して長期で任せられる会社であるかを確認することで委託時のリスクを軽減します。
電源回路開発は開発会社によって専門性が細分化されており、例えばAC-DC電源、DC-DC電源、AC-AC電源、Li-ion/EDLC/鉛バッテリー充電回路、低電力や大電力等などサービス会社の開発経験によって提案力や開発精度が大きく異なります。
先ずは開発会社とコンタクトを取り、開発実績の確認や円滑なコミュニケーションが可能かを確認することをお勧めいたします。
一般的に設計された電源回路はPCB上に実装されます。
上項では電源回路設計技術について説明しましたが、実際はPCBに回路実装したもので性能評価しますので、電源回路設計技術とPCB設計技術の両方が製品品質に大きく影響します。
本項ではPCBについて深く触れませんが、電源回路におけるPCB設計技術力 (アートワーク技術力) についても留意が必要です。
本記事は電源回路設計を提供するカイロスキ株式会社様に監修を頂きました。
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