スイッチング電源の知識を超詳細に分析、超整理！

図 1: 標準的なリニア電源の設計図

図 2: リニア電源の波形

リニア電源は、コードレス電話、PlayStation/Wii/Xbox、その他のゲーム機などの低電力デバイスへの電力供給には非常に適していますが、高電力デバイスの場合はリニア電源では不十分になります。

リニア電源の場合、その内部静電容量とトランスのサイズは AC 主電源の周波数に反比例します。つまり、入力主電源の周波数が低い場合、リニア電源にはより大きな静電容量とトランスが必要になります。逆に。 現在、周波数 60Hz (一部の国では 50Hz) の AC 主電源が常に使用されており、これは比較的低い周波数であるため、変圧器やコンデンサのサイズは比較的大きいことがよくあります。 さらに、AC 主電源のサージが大きくなるほど、リニア電源の変圧器も大きくなります。

したがって、パーソナル PC の分野では、リニア電源を製造することは非常に体積が大きくなり、重量も非常に重くなるため、非常に困難な行為となるでしょう。 したがって、個人の PC ユーザーはリニア電源の共有には適していません。

●スイッチング電源についてどれくらい知っていますか？

スイッチング電源は、高周波スイッチングモードによりこの問題をうまく解決できます。 高周波スイッチング電源の場合、AC 入力電圧は変圧器に入る前に昇圧できます (通常、昇圧前に 50 ～ 60 KHz)。入力電圧の増加に伴い、トランスやコンデンサなどの部品のサイズはリニア電源ほど大きくする必要がなくなりました。

この高周波スイッチング電源は、まさに私たちのパソコンやビデオデッキなどの機器に必要なものです。なお、私たちがよく「スイッチング電源」と呼んでいるものは、実際には「高周波スイッチング電源」の略称であり、電源自体のオンオフとは関係ありません。実際、エンド ユーザーの PC の電源は、より最適化された方式を採用しています。閉ループ システムは、スイッチング チューブを制御し、電源の出力からフィードバック信号を取得し、周波数を増減する回路です。 PCの消費電力に応じて、電源のトランスに合わせて一定周期で電圧を変化させる方式です（この方式をPWM、パルス幅変調、パルス幅変調と呼びます）。そのため、接続される電力消費機器の消費電力に応じてスイッチング電源を自己調整することができ、変圧器などから奪われるエネルギーを減らし、発熱量を低減することができます。

一方、リニア電源の設計コンセプトは、負荷回路が大電流を必要としない場合でも、電力が最優先されるということです。 この結果、必要でない場合でもすべてのコンポーネントが最大負荷で動作し、発熱が大幅に高くなります。

図 4: PFC 回路による電源供給

図 3 と図 4 を比較すると、それらの違いがわかります。一方にはアクティブな PFC 回路があり、もう一方にはアクティブ PFC 回路がありません。前者には110/220Vコンバータや倍電圧回路がありません。 以下ではアクティブPFC電源を中心に説明します。読者が電源の動作原理をよりよく理解できるように、上記は非常に基本的な図であり、短絡保護、スタンバイ回路、PG 信号発生器などの他の追加回路は含まれていません。 もちろん、より詳細な図を知りたい場合は、図 5 を参照してください。 この絵はもともとプロのパワー設計者向けのものなので、理解できなくても問題ありません。

図 5: ローエンド ATX 電源の典型的な設計図 (画像が鮮明ではない可能性があるため、ドラッグして確認することをお勧めします)

図 5 の設計図にはなぜ電圧整流回路がないのかと疑問に思われるかもしれません。 実際、PWM 回路はすでに電圧整流の役割を担っています。 入力電圧はスイッチ管を通過する前に再度補正され、トランスに入る電圧は方形波になります。 したがって、トランス出力の波形も正弦波ではなく方形波になります。 このとき波形は方形なのでトランスにより容易に直流電圧に変換できます。

つまり、変圧器によって電圧が再校正された後、出力電圧は DC DC 電圧になります。 このため、スイッチング電源は DC-DC コンバータと呼ばれることがあります。PWM 制御回路のループは、必要なすべての調整機能を担当します。 出力電圧が間違っている場合、PWM 制御回路は変圧器に適応するようにデューティ サイクルの制御信号を変更し、最終的に出力電圧を修正します。 これは、PC の消費電力が増加すると出力電圧が低下する傾向にある場合、または PC の消費電力が減少すると出力電圧が増加する傾向にある場合によく発生します。次のページを見るときは、次の情報を知っておく必要があります。

★ トランス以前のすべての回路およびモジュールは「1次側」と呼ばれ、トランス以降のすべての回路およびモジュールは「2次側」と呼ばれます。

★アクティブPFCで設計された電源には、110 V/220 Vコンバータと倍電圧回路がありません。★ PFC 回路のない電源の場合、110 V/220 V が 110 V に設定されている場合、電流が整流ブリッジに入る前に、電源自体が倍電圧を使用して 110 V を約 220 V に上昇させます。

★ PC 電源のスイッチ チューブは、一対のパワー MOSFET チューブで構成されていますが、もちろん他の組み合わせもありますので、後で詳しく説明します。

★トランスの要求波形は方形波なので、トランス通過後の電圧波形は正弦波ではなく方形波になります。

★PWM制御電流は集積回路で構成されることが多く、通常は小型トランスによって一次側から絶縁されていますが、場合によってはカップリングチップ（LEDとフォトトランジスタを備えた小型ICチップ）によって一次側から絶縁される場合もあります。

★PWM制御回路は、電源の出力負荷に応じて電源のスイッチ管の閉成を制御します。 出力電圧が高すぎるか低すぎる場合、PWM 制御回路は電圧波形を変更してスイッチング管に適応させ、正の出力電圧を補正するという目的を達成します。

次のページでは、電源の各モジュールと回路を写真で調べ、電源のどこにそれらがあるのかを物理的な写真で視覚的に説明します。

一次側と二次側を区別してください。

以上、マクロ的な観点から電源内部の各モジュールを大まかに紹介しました。 それを洗練して、電源の各モジュールのコンポーネントに話題を移してみましょう...

04
過渡フィルタ回路の解析

商用電源は、PC のスイッチング電源に接続された後、まず一般に EMI 回路と呼ばれる過渡フィルタ回路に入ります。 次の図は、PC 電源の「推奨」トランジェント フィルター回路の回路図を示しています。

トランジェントフィルタ回路の回路図

なぜ「推奨」であることを強調する必要があるのでしょうか？ 市場の多くの電源、特にローエンドの電源では、図 8 の一部のコンポーネントが省略されていることが多いためです。 したがって、EMI回路が縮小したかどうかを確認することで、電源の品質を判断できます。

EMI 回路の主なコンポーネントは MOV (Metal Oxide Varistor)、またはバリスタ (図 1 の RV8) であり、商用電源の過渡現象におけるピークを抑制する役割を果たします。 MOV素子はサージキラーにも使用されています。 ただし、多くのローエンド電源は、コストを節約するために重要な MOV コンポーネントを遮断することがよくあります。 MOV素子を搭載した電源の場合、電源自体にサージを抑制する機能が備わっているため、サージキラーの有無は関係ありません。

図のL1とL2。 8はフェライトコイルです。 C1 と C2 はディスク コンデンサで、通常は青色で、これらのコンデンサは通常「Y」コンデンサと呼ばれます。 C3 は金属化ポリエステルコンデンサで、通常は 100nF、470nF、または 680nF の容量を持ち、「X」コンデンサとも呼ばれます。 一部の電源には、図 8 RV1 に示すように、主電源と並列に接続された XNUMX つの X コンデンサが装備されています。

X コンデンサは、電源と並列に接続された任意のコンデンサにすることができます。 Y コンデンサは通常、ペアでペアになっており、ファイアとゼロの間に直列に接続する必要があり、2 つのコンデンサの中点はシャーシを介して接地する必要があります。 つまり、電源と並列に接続されています。

トランジェントフィルタ回路は商用電源をフィルタリングするだけでなく、スイッチング管から発生するノイズが同じ商用電源上の他の電子機器に干渉するのを防ぐこともできます。

いくつかの実際的な例を見てみましょう。 図 9 に示すように、いくつか奇妙なものが見えますか? この電源には過渡フィルタ回路がありません。 これは安価な「コテージ」電源です。 基板上のマークを見てください。トランジェントフィルター回路はあったはずですが、心無いJSが持ち込んだものです。

この安価な「コテージ」電源には、過渡フィルタ回路がありません。

図 10 に示すように、これは過渡フィルタ回路を備えたローエンド電源ですが、見てわかるように、この電源の過渡フィルタ回路には重要な MOV バリスタが省略され、フェライト コイルのみが備えられています。 ただし、この電源には追加の X コンデンサが装備されています。

ローエンド電源のEMI回路

過渡フィルタ回路は、一次 EMI と二次 EMI に分かれています。次の図 11 および 12 に示すように、多くの電源の一次 EMI は主電源インターフェイスに近い独立した PCB 上に配置されることが多く、二次 EMI は電源のメイン PCB 上に配置されます。クラス I EMI には、X コンデンサとフェライト インダクタが装備されています。

この電源の二次 EMI を見てください。 ここでは、MOV バリスタが見えますが、その配置は少し奇妙で、2 番目のフェライトの後ろにあります。 全体として、この電源の EMI 回路は非常に完成されていると言えます。

完全な二次EMI

上記の電源の MOV バリスタは黄色ですが、実際にはほとんどの MOV は濃い青色であることに注意してください。

さらに、この電源の過渡フィルタ回路にはヒューズ (図 1 の F8 として表示) が装備されています。 ヒューズチューブ内のヒューズが切れていることが判明した場合は、電源内部の 1 つまたはいくつかのコンポーネントに欠陥があることが確実であることに注意してください。 この時点でヒューズを交換しても無駄で、電源を入れても再びヒューズが切れてしまう可能性があります。

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倍電圧回路と一次整流回路

●倍電圧と一次整流回路

前述したように、スイッチング電源には主にアクティブ PFC 電源とパッシブ PFC 電源があります。後者には PFC 回路はありませんが、倍電圧回路が装備されています。 倍電圧回路には巨大な電解コンデンサが 2 個使用されています。つまり、電源内部に大きなコンデンサが 2 個あるのを見れば、基本的にはこれが電源の倍電圧回路であると判断できます。 前述したように、電圧ダブラーは 127V 電圧の地域にのみ適しています。

2つの巨大な電解コンデンサで構成された倍電圧器

降ろして見てください

整流器ブリッジは倍電圧器の片側に見えます。 整流ブリッジは、図 15 に示すように、XNUMX つのダイオードまたは XNUMX つのコンポーネントで構成できます。 ハイエンド電源の整流器ブリッジは通常、特殊なヒートシンク上に配置されます。

整流器ブリッジ

通常、一次側にはNTCサーミスタがあり、温度の変化に応じて抵抗値が変化します。 NTCサーミスタはNegativeTemperatureCoefficientの略称です。 その機能は主に、温度が非常に低い場合または非常に高い場合に電源を再整合させることであり、セラミック ディスク コンデンサ (通常はオリーブ) と同様です。

06アクティブPFC回路

●アクティブPFC回路このような回路は、間違いなくアクティブPFC回路を搭載した電源でしか見られません。

図 16 に、一般的な PFC 回路を示します。

アクティブPFC回路図

アクティブ PFC 回路では通常、2 つのパワー MOSFET スイッチが使用されます。 これらのスイッチチューブは通常、一次側のヒートシンク上に配置されます。 理解しやすいように、各 MOSFET スイッチ チューブに文字でマークを付けました。S はソース、D はドレイン、G はゲートを表します。

PFCダイオードはパワーダイオードであり、通常はパワートランジスタと同様のパッケージング技術を採用しています。長さもパワートランジスタと似ており、一次側のヒートシンク上に配置されていますが、PFCダイオードにはピンが2つしかありません。

PFC 回路のインダクタンスは電源の最大のインダクタンスです。 一次側のフィルタ コンデンサは、アクティブ PFC 電源の一次側で最大の電解コンデンサです。 図の抵抗器。 １６はＮＴＣサーミスタであり、温度変化により抵抗値が変化するものであり、二次ＥＭＩのＮＴＣサーミスタと同様の機能を有する。アクティブ PFC 制御回路は通常、IC 集積回路に基づいており、場合によってはこの集積回路が PWM 回路 (スイッチ管の閉鎖を制御するために使用される) の制御も担当します。 この種の集積回路は通常「PFC/PWM コンボ」と呼ばれます。

いつものように、最初にいくつかの例を見てください。 図 17 では、一次側のヒートシンクを取り外した後のコンポーネントがよく見えます。 これは、上で詳しく紹介した左側の過渡フィルタ回路の二次 EMI 回路です。 左側を見てください。これらはすべてアクティブ PFC 回路のコンポーネントです。

ヒートシンクを取り外したため、PFC トランジスタと PFC ダイオードは写真では見えません。 さらに、少し注意してみると、整流器ブリッジとアクティブ PFC 回路の間に X コンデンサ (整流器ブリッジのヒートシンクの底にある茶色の素子) があることがわかります。 通常、オリーブサーミスタはセラミックディスクコンデンサのように見えますが、ゴムで覆われています。

アクティブ PFC コンポーネント

図18は一次側ヒートシンク上の素子です。 この電源には、アクティブ PFC 回路の 2 つの MOSFET スイッチとパワー ダイオードが装備されています。

スイッチ、パワーダイオード

次にスイッチ管に焦点を当てます…

07
スイッチチューブ

●スイッチチューブ電源のスイッチング インバータには多くのモードがあります。以下の状況をまとめました。

もちろん、特定のモードで必要なコンポーネントの数のみを分析します。実際、エンジニアはどのモードを採用するかを検討する際に、多くの要因によって制限されます。

現在、最も一般的な 2 つのモードは、2 トランジスタ フォワード設計とプッシュプル設計で、どちらも 2 つのライト スイッチを使用します。 一次側ヒートシンクに配置される発光管については前ページで紹介したので割愛します。

これら 5 つのモードの設計図は次のとおりです。

（1トランジスタフォワード構成）

（2トランジスタフォワード構成）

（ハーフブリッジ構成）

（フルブリッジ構成）

（プッシュプル構成）

8、そしてトランスのPWM制御回路。

●トランスとPWM制御回路

前に述べたように、PC の電源には通常 3 つの変圧器が装備されています。最も大きな変圧器は、前の図 4、19、および 23 ～ 12 でマークされたメイン変圧器です。一次側はスイッチ管に接続され、二次側は整流回路とフィルタ回路に接続され、低電圧DC出力（+5V、+3.3V、+12V、-5V、-XNUMXV）を提供できます。電源。

最小のトランスには +5VSB 出力の負荷があり、通常はスタンバイトランスとなり、PC の電源がオフの場合でも出力のこの部分が常にオンになるため、常に「スタンバイ状態」になります。3 番目のトランスはアイソレータで、PWM 制御回路とスイッチ管を接続します。 一部の電源には同じ機能を持つフォトカプラ集積回路が搭載されていることが多いため、すべての電源にこの変圧器が搭載されているわけではありません。

トランス

この電源はトランスの代わりにフォトカプラ集積回路を使用しています。

PWM 制御回路は集積回路に基づいています。 一般に、アクティブ PFC のない電源には TL494 集積回路が採用されます (以下の図 494 では、互換性のある DBL26 集積チップが採用されています)。 アクティブPFC回路を搭載した電源では、PWMチップやPFC制御回路を置き換えるチップが使用される場合があります。 CM6800 チップはその良い例で、PWM チップと PFC 制御回路のすべての機能を統合できます。

PWM制御回路

08二次側(1)

●二次側

最後に二次側を紹介します。 二次側ではメイントランスの出力を整流・フィルタリングし、PCが必要とする電圧を出力します。 -5 V および -12 V の整流は、高電力や大電流を必要としないため、通常のダイオードだけで行うことができます。

ただし、+3.3 V、+5 V、+12 V などの正電圧の整流タスクには、高出力ショットキー整流ブリッジが必要です。 このショットキーには 3 つのピンがあり、外見はパワー ダイオードに似ていますが、内部に 2 つの高出力ダイオードが組み込まれています。 二次側整流が完了できるかどうかは電源回路の構成によって決まります。一般に、図 27 に示すように、XNUMX 種類の整流回路構造があります。

整流モード

モード A は、ローエンドのエントリーレベルの電源でよく使用されます。このモードでは、トランスから 3 つのピンが必要です。 モード B は主にハイエンドの電源で使用されます。一般に、このモードでは 2 つのトランスを装備するだけで済みますが、フェライト インダクタンスを十分に大きくする必要があるため、このモードのコストが高くなります。これが、ローエンド電源がこのモードを採用しない主な理由です。

さらに、ハイエンド電源では、最大電流出力容量を向上させるために、ダイオードを 2 つ並列に接続して整流回路の最大電流出力を 2 倍にすることがよくあります。

ハイエンド電源であろうとローエンド電源であろうと、その +12 V および +5 V 出力には完全な整流回路とフィルター回路が装備されているため、図 27 に示すように、すべての電源には少なくとも XNUMX セットの整流回路が必要です。 。

3.3V 出力には XNUMX つのオプションから選択できます。

☆ 多くのローエンド電源で採用されている +3.3 V 出力部に 5 V 電圧レギュレーターを追加します。

☆ 27 V 出力の場合は、図 3.3 に示すように完全な整流回路とフィルタ回路を追加しますが、トランスを 5 V 整流回路と共有する必要があります。 これはハイエンド電源の一般的な設計スキームです。

☆完全独立の3.3V整流回路とフィルター回路を採用。 この種の方式は非常にまれで、Annette の Galaxy 1000W など、発熱レベルの少数のトップレベル電源でのみ表示されます。

3.3V出力は通常、5V整流回路の完全共有(ローエンド電源でコモン)、または部分共有(ハイエンド電源でコモン)であるため、3.3V出力が5V出力によって制限されることが多いと言われています。 そのため、多くの電源の銘板には「3.3V と 5V の複合出力」という名前が記載されている必要があります。以下の図 28 は、ローエンド電源の XNUMX 次側を示しています。 ここでは、PG 信号の生成を担当する集積回路を確認できます。 一般に、LM339 集積回路はローエンド電源に使用されます。

二次側

さらに、主にフィルタリング機能を担ういくつかの電解コンデンサ (これらのコンデンサのサイズは倍電圧回路やアクティブ PFC 回路のサイズよりもはるかに小さい) とインダクタも確認できます。

この電源をより明確に観察するために、図 29 に示すように、電源上のすべてのフライング ワイヤとフィルター コイルを取り外しました。 ここでは、いくつかの小さなダイオードが見られます。これらは主に -12 V と -5 V の整流に使用され、それらを流れる電流は非常に小さいです (この電源に必要なのは 0.5 A だけです)。 その他の電圧の出力電流は少なくとも 1A である必要があり、パワーダイオードが整流を担当する必要があります。

-12 Vおよび-5 Vの負電圧回路用の整流ダイオード

10. 二次側（Ⅱ）

●二次側
(2)次の図は、ローエンド電源の二次側ヒートシンクのコンポーネントを示しています。

二次ヒートシンク上のコンポーネント左から右へ：

☆電圧調整器のICチップ・・・ピンが3本あり三極管によく似ていますが、ICチップです。 この電源には 7805 電圧レギュレータ (5V 電圧レギュレータ) が使用されており、+5VSB の電圧安定化を担当します。 前述したように、+5VSB は PC の電源がオフの状態でも +5V 出力を供給する必要があるため、独立した出力回路を採用しています。 そのため、+5VSB 出力は一般に「スタンバイ出力」とも呼ばれます。 805IC は最大 1A の電流出力を提供できます。

☆ パワー MOSFET トランジスタ。主に 3.3V 出力を担当します。 この電源の MOSFET モデルは PHP45N03LT で、最大 45A の電流を流すことができます。 前ページでも触れましたが、ローエンド電源のみ3.3Vと共用の5Vレギュレータを採用します。

☆ 2つのダイオードを集積して構成されるパワーショットキー整流器。 この電源のショットキーモデルは STPR1620CT であり、この電源の各ダイオードは最大 8A (合計 16A) の電流を許容できます。 この種のパワーショットキー整流器は、通常 12V 出力に使用されます。

☆もう一つのパワーショットキー整流器。 この電源の型式はE83-004で、最大許容電流は60Aです。 この電力整流器は、+5 V および +3.3 V 出力によく使用されます。 +5 V 出力と +3.3 V 出力は同じ整流器を使用するため、それらの合計が整流器の電流制限を超えることはできません。 これは、私たちがよく共同出力の概念と呼ぶものです。 つまり、3.3V 出力は 5V 出力から得られます。 他の出力とは異なり、トランスには 3.3V 出力がありません。 この設計はローエンドの電源によく使用されます。 一般に、ハイエンド電源では独立した +3.3 V および +5 V 出力が使用されます。

ハイエンド電源の二次側の主要コンポーネントを見てみましょう。

ハイエンド電源の二次側部品

ハイエンド電源の二次側部品

ここで見ることができます：

12V 出力用の XNUMX つの並列ショットキー整流器。 ローエンドの電源には、そのような整流器が 1 つしかないことがよくあります。 この設計により、整流器の最大電流出力が自然に 2 倍になります。 この電源は 6045 つの STPS60CW ショットキー整流器を使用しており、それぞれの最大電流は XNUMXA です。

☆ 5V出力を担うショットキー整流器。 この電源はSTPS60L30CW整流器を採用しており、最大60Aの電流を流すことができます。

☆ ショットキー整流器は、ハイエンド電源とローエンド電源の主な違いである 3.3V 出力を担当します (ローエンド電源には独立した 3.3V 出力がないことがよくあります)。 この電源は、最大30Aの電流を流すことができるSTPS30L30CTショットキーを採用しています。

☆電源保護回路の電圧調整器。 これもハイエンド電源の象徴です。

重要な点は、上記の最大電流出力は単一のコンポーネントにのみ関係しているということです。 実際、電源の最大電流出力は、コイルのインダクタンス、トランス、ワイヤの太さ、PCB の幅など、電源に接続されている多くのコンポーネントの品質に依存します。 電源の理論上の最大電力は、整流器の最大電流と出力電圧を乗算することで得られます。 たとえば、最後の図の電源の 12V 出力最大電力は 16A*12V=192W となります。

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