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» 2011年06月01日 00時04分 公開

AC-DC電源の設計ポイントスイッチング方式が抱える課題を整理する(2/4 ページ)

[Paul Rako,EDN]

数多くの検討事項

 ここまでに触れた設計上の問題に対する検討は、設計プロセスにおける始まりにすぎない。当然のことながら、スイッチングアーキテクチャの選定も、実施しなければならないことの1つである。例えば、絶縁境界を越えてフィードバック電圧を伝送しなくてもよいようにコントローラICを2次側に配置するかどうか、同期整流方式を採用するのか否かといったことを決定しなければならない。同期整流方式では、整流ダイオードをFETに置き換え、それをコントローラICによって適切なタイミングでオン/オフに制御する。ただし、コントローラICを2次側に配置する場合には、そのICを駆動するための電力を、絶縁境界をまたいで供給する必要がある。

 もう1つ決定しなければならないのは、電流モードと電圧モードのうちどちらのフィードバック方式を用いるのかということである。電流モードのフィードバックでは、制御におけるパラメータとして1次コイルの電流量を用いる。この方法では、1次側の状態が制御ループには含まれず、1次インダクタンスに伴うポール(極)がなくなる。電流モードの制御では、ドミナントポール(ファーストポール)だけが存在し、安定性が高い。そのため、多くの技術者がこの手法を好んで使用している。なお、電流モードの制御では、スイッチングトランジスタを流れる電流を常に監視することで、過電流によって同トランジスタが破壊するのを防止することになる。

 多くの電源ICメーカーが、デジタル電源を構成するための製品を大々的に供給し始めている。実際、PFC(力率改善)回路ではデジタル電源用のICがよく使用されるようになってきている。ただ、デジタル電源は、本質的には、アナログ電源よりも優れているわけではないし、劣っているわけでもない。IC内部のアーキテクチャにどのようなものを採用するかは、半導体企業の判断によるところである*3)。米iWatt社などのベンダーが供給しているデジタル電源 ICは広く採用されているが、より重要なのは、それらのICで使われている制御方法ではなく、どのような機能が提供されるのかということである。

 多くのAC-DC電源は、出力負荷と入力ライン電圧の変化に応じて出力電圧を調整するようになっている。そのためには、コントローラICへのフィードバック信号が必要になる。この用途には、多くの場合、Fairchild社や米Avago Technologies社などが供給しているフォトカプラが使用されている。

 一方で、フォトカプラではなく、センシング用のコイルを使用することを前提としたコントローラICも多数存在する。この構成では、フォトカプラを使う場合のように精度良く調整を行うことはできないが、それでも5%程度の出力精度を実現できる。これについて、iWatt社は、「当社独自の1次検知アルゴリズムを利用すれば、それ以上の精度を得ることが可能だ」と主張している。

 ほかにも、Avago社などが提供するΔΣ変調方式を利用したアイソレータを使用して、絶縁境界を越えてアナログ電圧を伝送する方法もある。あるいは、出力電圧をデジタル値で表現し、デジタルアイソレータによって絶縁境界を越えて伝送する方法も利用できる*4)。ただし、これらの代替策には、コストがかかることに加え、位相遅延が生じて制御ループの帯域幅が小さくなるという欠点もある。

 さらに別の方法として、コントローラICを2次側に配置し、絶縁境界をまたいで1次側を制御するというものがある。TI社のアプリケーションマネジャを務めるRichard Garvey氏によると、「コントローラICを2次側に配置する方法を用いれば、高い精度で電圧を調整することが可能だ」という。この場合、出力電圧のフィードバックは絶縁境界をまたぐことなく行える。ただし、コントローラICへの電力供給の手段を別に確保する必要がある。

 電力レベルが高い場合や出力電圧が低い場合には、2次側のダイオードをFETに置き換えるとよいかもしれない。この構成に対応したTI社のコントローラ IC「UCC28250」の場合、1次側に同ICを配置し、2次側の制御は絶縁境界を越えて行うという方法を採用している。IR社のコントローラIC 「IR11672AS」などは、コントローラICを2次側に配置し、電力供給の状態を検知して、1次側の制御ループとは独立して動作するようになっている。


脚注

※3…Rako, Paul, "Digital power ―― without the hype," EDN, April 22, 2010, p.25

※4…Rako, Paul, "Draw the line: Isolation shields systems from shocking surprises," EDN, Sept 3, 2009, p.22


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