スイッチング電源とは
スイッチング電源 (英: switched-mode power supply :SMPS) とは、スイッチングレギュレータと呼ばれる高効率な電力変換回路を組み込んだ電源のことです。
ICやマイコン搭載の電子機器には、電圧変動の少ない安定した直流が必要です。安定化電源にはリニア電源とスイッチング電源がありますが、従来はリニア電源が主流でした。
リニア電源の場合、回路が単純で、100Vの交流電圧を交流の定電圧に変換し、順方向の電流は流して逆方向の電流は流さないというダイオードの性質を利用して交流を整流します。さらにコンデンサを使ってなだらかにするのです。しかし、電源の小型化や効率化が進まないというデメリットがありました。
この問題を解決したのがスイッチング電源です。リニア電源では商用交流を電圧変換してから整流するのに対し、スイッチング電源では商用交流をまず直流に整流して電圧変換するという、全く逆の方法をとります。
そしてスイッチのオン・オフによってパルス波の交流に変換し、高周波トランスに送り込むというのがスイッチング電源の仕組みです。小型化・軽量化が可能な代わりに回路が複雑になるのが特徴だと言えます。
スイッチング電源の使用用途
スイッチング電源は従来型のリニア電源に比べ、回路は格段に複雑になりますが、安定化回路のIC化にともない、非常にコンパクトになっているというメリットがあります。簡易型電源のように大きくて重い電源トランス (電磁誘導で交流電力の電圧の高さを変換する機器) が搭載されていないので、小型化・軽量化が実現したのです。
このような小型化・軽量化が可能なため、スイッチング電源の使用用途としては携帯電話のACアダプタが挙げられます。また、パソコンやタブレットといった持ち運びすることが多い小型の電子機器に非常に親和性が高いと言えるでしょう。
昨今はこの小型化をさらに推進するべく、高出力・高効率なGaNデバイスをACアダプタのスイッチング電源に取り入れ、従来のSiデバイスに比較してさらに小型のACアダプタを実現しています。
スイッチング電源の原理
スイッチング電源の原理は、従来のリニア電源と対極にあります。リニア電源はトランスで商用電流を電圧変換してから整流するのに対して、スイッチング電源の場合は商用交流をまず直流に整流してから電圧変換します。ただし、整流されてしまうとトランスを使って電圧変換ができません。
そこで、スイッチング電源では、整流された電流をトランジスタやMOS FETなどの半導体素子の高速スイッチングによってパルス派の交流に変換し、高周波トランスに送り込みます。そのため必要な部品や回路が増え、複雑化してしまいますが、この複雑さこそがスイッチング電源のカギとなるポイントです。
スイッチング電源の制御方法にはいくつか種類がありますが、代表的なものにPWM (パルス幅変調) 方式があります。スイッチングのオン・オフサイクルのオンの時間、つまりパルス波の幅を調整し、それぞれのパルスの面積を同じにすることで電圧の安定化を図るのです。スイッチング電源ではスイッチングのオン・オフで出力の調整ができるので効率が上がるのも特徴だと言えます。
また、スイッチング電源のパルスの周波数は数十kHz～数百kHzの高周波なので、トランスも小型・軽量なもので済みます。ただし、高周波だと鉄芯の損失が大きくなるため、フェライトコアを使います。電源効率が上がり、省エネが実現できます。
フェライトコアはフェライトという素材の芯棒がケーブルを包むように取り付けられているため、ケーブルに流れる高周波のノイズ電流で発生する磁場を吸収させ、熱に変えることでノイズを軽減します。
スイッチング電源の弱点は高速スイッチングによるノイズの発生ですが、フェライト技術によって軽減が期待されています。
スイッチング電源のその他情報
1. スイッチング電源の周波数
スイッチング電源は、半導体素子によるスイッチング動作でON/OFFする時間を調整することで、出力電圧を仕様の電圧値に変換しています。このON/OFFの切替を制御する信号の周波数を「スイッチング周波数」と呼びます。
2. 電圧24Vが多い理由
スイッチング電源を使用する電気製品において、電源に要求される出力電圧は、直流24Vであることが多いです。その理由は諸説ありますが、制御回路がその電圧を必要とするためです。
かつて直流は電池を電源とすることが多かったため、乾電池のセル1.5Vの整数倍で決められたという説があります。小型の機器においては、同様に6V、9V、12V、なども使われますが、これらも1.5倍の整数倍です。
ファクトリーオートメーションで使われる制御回路がPLC (プログラマブルコントローラ) に置き換わる前の時代には、回路が電磁リレーで構成されており、リレーをONする電圧として使われていました。その名残で現在でも24Vが使われることが多いようです。また、DC24Vはノイズ環境に強いなどの理由もあります。
3. スイッチング電源のノイズ
スイッチング電源は、スイッチング素子により電流を高速でON/OFFを行っているため、高周波なノイズを発生することが不可避となっています。スイッチング電源の開発の歴史は、効率を上げることと同時に、ノイズ対策が必須事項でした。現代のスイッチング電源にはいろいろなノイズ対策が施されています。
スイッチング電源はそれ自身がノイズ発生源となります。ノイズは出力される電源ライン上に付加されるだけでは無く、電磁波となり、電子機器に影響を及ぼします。
ノイズ対策には、下記のような手法があります。
- 反射
インダクタやコンデンサをフィルタにしてノイズの成分が伝わるのを防ぐ - 吸収
フェライトコアなどでノイズを吸収して熱などのエネルギーに変換する - バイパス
コンデンサなどでノイズをグランドに落とす - シールド
放射するノイズ成分を金属ケースでグランドに落としたり、フェライト材等の電波吸収材で吸収する
4. スイッチング電源のノイズ対策の詳細事例
もっともよく扱われるノイズの一つにコモンモードノイズとディファレンシャルノイズがあります。
コモンモードノイズ
スイッチング電源回路基板と装置の筐体間に生成する寄生容量などを介してリークする電流ノイズが、ループの経路としてGND(グランド)を介して電源側へ戻ってくるノイズです。電源の正極と負極での各々ノイズ電流の向きは同じであるため、こう呼ばれます。
ディファレンシャルノイズ
この場合は、スイッチング電源回路に直列に入るノイズ源からの電流ノイズが、電源ラインを介して電源側へ戻ってくるノイズです。その名の通り、電源の正極と負極での各々ノイズ電流の向きは反対であり、ノーマルモードノイズともいわれます。
一般には2つのノイズでコモンモードノイズの方が放射量は大きくなりますが、許容ノイズ量を超える場合にはどちらとも対策が必須です。その手法としてまずとられるのが経路のケーブル長さを短くしたり、より線にしたりします。
また本格的な対策にはノイズフィルタを追加しなければなりません。コモンモードノイズには、チョークコイルが効果的です。またパスコンといわれる対グランドへのバイパスコンデンサも用いられます。ディファレンシャルノイズ対策としては、反対向きに流れる電源ライン間に容量を接続し、ノイズ抑制を行います。
参考文献
https://www.jp.tdk.com/tech-mag/power/002
https://www.jp.tdk.com/