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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。



出力段のコンデンサ選定方法 | ノイズ対策.com

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5:出力段のコンデンサ選定方法

スイッチング電源の設計を行う際にコンデンサの選定、
特に出力段側は設計者を悩ませるものです。


確かに計算で必要となる容量やESRが出てきます。

また、
スイッチング電源の制御ICのリファレンス回路やツールで
目安を示してくれます。

しかし、
実際に回路検証してみるとコンデンサの容量が倍必要で有ったり、
リファレンス通り作るとスペースや予算をオーバーしたりします。


そんな時に思い出して欲しい話をしたいと思います。

@コンデンサの種類
 出力段のコンデンサとして下記4種類が使われます。
  ・アルミ電解コンデンサ
  ・タンタル電解コンデンサ
  ・導電性高分子コンデンサ
  ・セラミックコンデンサ

a)セラミックコンデンサ
 高誘電率系の大容量化とスイッチング周波数高速化で
 よく使われる様になりました。
 
 12V以下で且つ出力電流3A以下の場合はセラコンに絞って
 検討して良いでしょう。

 スイッチング電源のコンデンサで求められるのは、
 高リプル電流で低ESRな特性です。

 高誘電率系セラコンはベストな選択と言えます。
 
 ただし、
 12V以上の電圧を扱う若しくは3A以上出力電流の時は、
 高耐圧&高容量な特性が求められます。

 幾ら積層技術が進歩しても高耐圧化&高容量化が難しいのは変わりなく、
 主役は他のコンデンサに譲りサポートに回ります。

b)アルミ電解コンデンサ
 アルミ電解コンデンサはあみだクジの様な製品体系を持ちます。

 スイッチング電源の設計時に初めてこの製品体系を知った方も多いと思います。

 この製品体系で、標準品から広温度化・長寿命化へ2ランク以上アップし、
 更に低インピーダンス化へ2ランクアップ以上のものを選びます。

 [シリーズによる特性の変化例]
   標準品
    温度,寿命 85℃,2000h
    リプル電流 80mArms程度
    インピーダンス 5Ω程度

   ランクアップ品
    温度,寿命 105℃,5000h
    リプル電流 400mArms程度
    インピーダンス 0.5Ω程度

c)タンタル電解コンデンサ
 高誘電率系セラコンや導電性高分子コンデンサの台頭と
 以前にあった供給不安で影が薄くなっていますが、
 スイッチング電源用途としては優れた特性と寿命を持ちます。

 なお、短絡の故障モードが嫌われますが、
 スイッチング電源の場合同じく短絡の故障モードを持つダイオードも
 並行に使いますので、タンタル電解コンデンサの有無に関わらず
 短絡保護は必要になります。

d)導電性高分子コンデンサ
 ケミコンと呼ばれるコンデンサは、
 酸化皮膜を付けた陽極と陰極の間を電解質で満たします。

 アルミ電解コンデンサは電解質に電解液を使用しますが、
 導電性高分子コンデンサは導電性高分子を使用します。

 そうすることでセラコンには及ばないものの
 アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサを遥かに上回る特性と、
 セラコンでは実現不可能な高耐圧・高容量を得られます。

 スイッチング電源用コンデンサとしては最良の選択肢ですが、
 高コストなのが玉にきずです。

Aコンデンサの選定のコツ・特性がパケージに依存する。
 高リプル電流で低ESRな特性は、
 電流の交流成分の流れやすさと充放電が抵抗無く行われるかを示す
 パラメーターです。

 コンデンサの構造と電極の広さで決まるため
 同じパッケージなら容量や耐圧に依らず、ほぼ同じになります。

 例)330μF/16Vと100μF/35Vのコンデンサは、
   同シリーズなら同じΦ8mm x 高さ10mmなので平滑能力は等しい

 電極の広さや電解質の量の影響は大きく、
 コンデンサの特性に関して言えば”大きいことは良いことだ”です。

・アルミ電解コンデンサの標準品はご法度
 低ESRで無いケミコンは、高ESRと言えます。
 リプル電流を流し続けると、
 アルミ電解コンデンサ自体(電解液)が発熱します。
 アルミ電解コンデンサはこの自己発熱で極端に劣化が進行するため、
 自己発熱は3℃以下に抑えて使います。
 
 高ESRほど自己発熱が大きく、スイッチング電源の電流の満ち干きの
 影響範囲内に、標準品のアルミ電解コンデンサが有ると発熱し急激に
 劣化して液漏れ等の故障に至ります。

・突入電流に注意
 大量のセラコンや複数の導電性高分子コンデンサのリプル電流は
 数10Aに達します。
 
 入力段の電源が持つ過電流や低電圧の保護回路が動作しかねません。

 本当にそこまでの性能が必要なのか吟味し、
 シーケンスを工夫しましょう。



次回は、効率アップのコツです。



スイッチング周波数の設定 | ノイズ対策.com

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4:スイッチング周波数の設定

電源は、電子回路の心臓に当たります。

そして、
スイッチング周波数はスイッチング電源の脈拍に相当します。

最近のトレンドとしてスイッチング周波数が数MHzへ高速化する
傾向がありますが、高速化にはメリットもデメリットもあることを
理解してスイッチング周波数を設定する様に心がけましょう。

<スイッチング周波数と電源の特性>

・スイッチング周波数が速くなるとノイズの周波数も高くなる。

 スイッチング周波数が高くなると、
 リップル・ノイズもスパイク・ノイズも周波数が高くなります。
 周波数が高いほどノイズ(EMI:エミッション)が
 空中や電線路からが漏れやすくなります。
 
 スイッチング電源関係のノイズは電流が大きく強力なため、
 スイッチング周波数が高いほどノイズ対策が難しくなります。

・スイッチング周波数が高くなると効率が低下する。

 スイッチング周波数が高くなると、FETやトランジスタを
 スイッチする回数が増えます。
 
 スイッチを動かした分だけ効率は低下します。

・スイッチング周波数が高くなるとコストがかかる。

 FETやトランジスタが高速で動作する必要があり、
 良い特性の物が必要になります。
 
 また、
 素早く出力段や入力段のコンデンサへ充放電する必要があり、
 内部抵抗(ESR)の低い充放電のストレスに耐えられる
 コンデンサを必要とします。


ここ迄はスイッチング周波数を高くすると生じるデメリットです。

以下がメリットになります。

・スイッチング周波数が高くなると電源が小型化する。

 スイッチング電源は電荷貯めて吐き出します。
 スイッチング周波数が高いと一度に貯めておく電荷が少なくなり、
 スイッチに流れる電流,コイルの電流容量,入出力段の
 コンデンサ容量を抑えられ小型化出来ます。

・スイッチング周波数が高くなると応答性が良くなる。
 
 スイッチング電源は電圧を一定に保つため、スイッチのオン時間を
 出力電圧の変化を見て調節しています。
 
 負荷電流の急激な変動に対して、出力電圧の変動をフラットに
 保つ特性を応答性と言います。
 
 スイッチング周波数が高いと細かくスイッチのオン時間を
 調節出来ます。


まとめると下記になります。

・低ノイズにしたいならスイッチング周波数は抑える。
・スイッチング周波数が高くなると効率が悪くなる。
・スイッチング周波数を抑えて低コストに押させるテクニックがある。
・実装面積で使い分ける。
・急激な電流変動があり、その影響で生じた電圧変化が負荷の動作に
 悪影響を与える恐れがある場合はスイッチング周波数を高くする。

スイッチング周波数が変わると、スイッチング電源は設計し直しになります。
どんな特性を電源に求めるかイメージする癖を付けましょう。



次回は、出力段のコンデンサ選定方法です。



電圧と電流の変化 | ノイズ対策.com

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3:電圧と電流の変化

スイッチング電源がノイズ源になりやすいのは、
電流を貯めて吐き出す動作にあります。

下記の降圧型を例に、まずは電流と電圧の変化を見ていきます。

SW3_1.png

 @FET:Qswをオンにする。
 A電流:Iinが流れ始める。
 BQswのドレイン端子の電圧がVinまで上昇する。
 CIswはコイルの影響で少しずつ電流が増えていく。
 Dコイルに電流を十分流したらQswをオフにする。
 EIswが遮断される。
 Fコイルが電流を誘導しIoutを流し続ける。
 GQswのドレイン端子の電圧が負電圧になる。
 HDを介してGNDからコイルへIdが流れる。
 Iコイルの誘導が弱まりIdが減っていく。
  ⇒FET:Qswがオンする。(@)
SW3_2.png

ここでポイントのなるのが、
経路の違うIswとIdが合流してIoutが流れ続けているいる点です。


リップルノイズの対策は3つのポイントがあります。

 Point A) 
  コイルに流れるノコギリ状の電流変化をコンデンサで平滑し、
  負荷の要求に答えられる電源にする。

 Point B)
   Iinは極端な電流変化(チャージと無負荷)が断続的に
  発生するので、入力電源が振り回される。

 Point C)
   Qswオフ時のIdが原因でグランドにノイズがのることがある。


スパイクノイズはQswのスイッチングが影響します。

効率のアップはQswとDがキーになります。



次回は、スイッチングの周波数についてです。




ノイズは何処から出るのか? | ノイズ対策.com

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2:ノイズは何処から出るのか?

スイッチングノイズは、
スイッチング電源の3箇所から異なった形で発生します。

非同期整流方式の降圧.png

1. スイッチング部分
  コイル,スイッチングするパワーFET又はパワートランジスタ,
  ダイオード又はロー側パワーFETで囲まれるた部分です。

2. 出力段
  スイッチング部分の後段です。

3. 入力段
  スイッチング部分前段です。


スイッチング部分は、
スイッチング周期で急激に電流の流れるが変化する部分です。

そのため隣接するパターンにノイズが飛びやすく注意が必要です。

近年のスイッチング周波数の高速化,低オン抵抗化したFETを
内蔵するスイッチング制御ICと同期整流式の増加で
ノイズ対策方法にも影響が出ています。

スパイクノイズはここから発生し周辺に伝搬します。

出力段はスイッチングで生まれたノコギリ状の電流変化を
コンデンサで平滑している部分です。

ここで平滑しきれなかったリップルノイズ成分は、
電源全体に広がり供給を受けているICの動作に影響を与える危険が
あります。

また、リップルノイズ成分が動作に影響を与えなくとも、
電源のケース外部へ出力やインターフェースを介して信号ラインを
アンテナにしてノイズが伝搬して行きます。

入力段のスイッチングノイズのケアも大切です。

スイッチング電源へ入力電圧を供給している電源にとって、
スイッチング電源は厄介な負荷です。

消費電流が大きく、且つスイッチング電源の出力段の負荷変動が
大きいと入力電流も大きく変動します。

このため、スイッチング部分のコイルへ流れる電流変動
(ほぼリップルノイズと同じ成分)と
スパイクノイズ又は出力段の大きな負荷変動のノイズは
入力段へも伝わり、入力段の電源系にノイズが発生します。


次回は
電圧,電流の変化に着目してスイッチング部分のノイズ対策を
見ていきます。




”良い電源を作る”と意識しよう! | ノイズ対策.com

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1:”良い電源を作る”と意識しよう!

スイッチング電源をオンボードで実装する機会が増えたと
感じる回路設計者の方は多いと思います。

出力が3A以下であれば、FET内蔵のコントローラーに
リファレンスデザインやツールの推奨部品
(チョークコイル,大容量セラミックコンデンサ)だけで
構成可能になってきています。

半面、EMI測定を行って初めてスイッチング電源のノイズが
問題になるケースも出てきています。

スイッチング電源のスイッチングに起因するノイズは
スイッチング・ノイズと呼ばれます。

スイッチング・ノイズは、
リップル・ノイズとスパイク・ノイズの成分があります。

波形を下図に示します。

スイッチング・ノイズ波形.png

オシロスコープで波形として見えることに注目して下さい。

大きな電流を伴うためEMI測定でも確認出来ますが、
電源にノイズが直接混じるので電子回路の動作が不安定に
なります。

どのような回路であっても、
必要とされる電源の精度を意識してスイッチング電源を構築し、
評価することが重要です。


スイッチング・ノイズの対策は、
最初の設計時に安定した”良い電源を作る”ことに
重心を置くことから始めます。

安定した良い電源は、回路の円滑な動作と他のノイズを
封じ込める効果があります。

自信を持てる電源が出来たら、
コンデンサの容量を調整する等コストを意識した調整に移ります。

スイッチング・ノイズ対策と良い電源は等価です。

信号線の場合まず動くようにしてからノイズ対策と考えがちですが、
電源の場合先送りでは動作の検証もままなりません。


次回からはスイッチング・ノイズ対策を見ていきます。




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