電源モジュールとは
電源モジュールとは、電子デバイスに必要な電力を適切に供給するためのキーとなる部品です。
元の電力供給をデバイスが必要とする特定の電圧や、電流に変換する役割を果たします。その結果、デバイスは安全で効率的な電力を受け取ることができます。電源モジュールは自社で設計するのではなく、専門の電源モジュールメーカーから部品としての購入が一般的です。
このアプローチにはいくつかのメリットがあります。第一に、時間とコストの節約が挙げられます。専門メーカーが提供する電源モジュールは、品質が保証されており、また既に一定の性能が確認されています。したがって、自社で電源回路を設計し、テストするよりも迅速かつ安価に電源ソリューションを実装可能です。
さらに、電源モジュールはサーバーやネットワーク機器、家電製品、産業機器など、幅広い電子機器に適用可能です。その形状や性能は、使用するデバイスやその用途により異なりますが、その主な目的は、電力を適切に調節し、デバイスの正常動作を保証します。
電源モジュールの使用用途
電源モジュールはその汎用性から、幅広い分野で利用されています。以下に具体的な使用事例をいくつか紹介します。
1. コンピューターシステム
パーソナルコンピュータやサーバーでは、電源モジュールが主要な役割を果たします。コンピュータは、マザーボード、CPU、メモリ、ストレージデバイスなど、様々な部品で構成されており、それぞれが特定の電圧と電流で動作します。電源モジュールはこれらの部品に対して適切な電力を供給し、システム全体の安定した動作を確保します。
2. ネットワーク機器
ルーターやスイッチなどのネットワーク機器も、電源モジュールの重要な使用例です。これらの機器はデータを高速に送受信するため、安定した電力供給が必須となります。
3. 産業機器
製造業では、CNCマシンやロボットなどの高度な機器が使用されます。これらの機器もまた、特定の電圧と電流で動作するため、電源モジュールが必要です。
4. 医療機器
医療機器には、人体に影響を与える可能性があるため、安全性や信頼性が高い電源モジュールが必要です。例えば、人工心臓や人工呼吸器などの生命維持装置には、停電時にもバックアップできる電源モジュールが使われています。
5. 家電製品
テレビ、洗濯機、冷蔵庫などの家電製品でも電源モジュールが使用されます。これらの製品は家庭の電源から電力を得ますが、電源モジュールはその電力を製品が必要とする形に変換します。
電源モジュールの原理
電源モジュールには、スイッチング電源とリニア電源の2方式があります。
1. スイッチング電源
スイッチング電源は、電源を高頻度でオンオフして電流を制御します。具体的には、まず交流電源を整流器で直流に変換します。次にこの直流は、MOS FETなどのスイッチング素子を使用して高周波のパルス波に変換されます。この高周波パルス波を高周波トランスに送り、所要の電圧に変換します。
高周波トランスは物理的に小さくできるため、電源自体の小型化を実現可能です。PWM制御では、パルス波の幅を調整して出力電圧を一定に保ちます。スイッチング素子のON/OFFで必要なだけ電圧を生成し、余分な電力を消費しません。これにより、スイッチング電源は高い効率を達成します。そのため、高電力アプリケーション、例えば、コンピュータの電源供給などでよく使用されます。
2. リニア電源
リニア電源は、電流を直接調節して出力電圧を制御します。これにより、出力は入力電圧の変動から分離され、非常に平滑なDC電源が提供されます。しかし、この方法は効率が低く、熱が発生する傾向があります。そのため、リニア電源は音響機器や精密測定機器など、ノイズが許容されない分野で使用されます。
電源モジュールのその他情報
ノイズについて
スイッチング電源の問題は、高速スイッチングによって発生するノイズです。高周波ノイズは周囲の電子機器に干渉を与える可能性があるため、ノイズ対策が重要視されます。ノイズ対策としては、フェライトコアの使用や各種のEMIフィルタを組み込みます。
このように、スイッチング電源は小型で高効率な電源モジュールの実現を可能にしましたが、発生するノイズには注意が必要です。電源設計は、両者のトレードオフを考慮しながら最適な設計を行います。
参考文献
https://www.tamuracorp.com/electronics/jp/pm/
https://ednjapan.com/edn/articles/1603/07/news004.html