効率アップのコツ(1)

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6:効率アップのコツ(1)

設計者の誰もが関心があって、とても奥の深いテーマです。

これからスイッチング電源に挑む方には導入として、
設計経験が豊富な方には昔話として読んで頂ければ幸いです。


●効率95%の持つ意味

 私がまだ駆け出しの回路設計者だった時代(20年近く前)、
 5Vから3.3Vを5A出力する降圧型スイッチング電源の効率は
 80%ちょっとでした。
 
 現在では効率95%ほどの物が作れます。
 
 実は、この15%の違いは大変なインパクトがあります。
 
  [Vin=5V入力でVout=3.3V,Iout=5Aを出力する場合]
 
  @効率 80%
      入力電力 20.6W 出力電力 16.5W → 損失 4.1W
 
  @効率 95%
      入力電力 17.4W 出力電力 16.5W → 損失 0.9W
 
 この損失の全てが熱になるわけではないのですが、
 効率80%の場合3Wを超える発熱は覚悟しなくてはいけません。
 
 3Wの放熱をするためにはそこそこの大きさのヒートシンクを付け
 強制空冷が必要になります。
 
 この時点でタブレット端末などは夢になってしまいます。
 (タブレット端末は25Whの容量を持つ電池を持ち、
 同しクラスのスイッチング電源を内蔵している。)
 
 ここからは効率95%への軌跡をたどります。


●受動部品の進化

 効率80%の回路では、スイッチング部以外でも全体として
 発熱していました。
 
 入出力段のコンデンサは充放電時のESRにより、
 チョークコイルは銅損により発熱がありました。
 
 前回お話しした様に、アルミ電解コンデンサは着々と低ESR化し、
 高分子電解コンデンサや大容量セラコンが登場しました。
 
 チョークコイルも素材,構造両面で進化しました。
 
 外見には進化の見えにくい受動部品ですが、
 古い回路を使い回すと損をします。


●パワーMOS FETの爆発的進化
 
 スイッチング部はパワートランジスタから
 パワーMOS FETに変わりました。
 
 パワーMOS FETが駆動方法で効率アップに有利なのは確かですが、
 その低オン抵抗化には目を見張るものがあります。
 
 パワーMOS FETは世代交代の非常に激しいデバイスです。
 

次回は”効率アップのコツ”の第二回です。

進化したFETをどう使えば効率が改善出来るかを
見ていきます。



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