スイッチング電源

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スイッチング電源(スイッチングでんげん、英語:switched-mode power supply、略称:SMPS)あるいはスイッチング方式直流安定化電源とは、商用電源の電力変換装置などとして広く利用されており、フィードバック回路によって半導体スイッチ素子のオン・オフ時間比率(デューティ比)をコントロールする事により出力を安定化させる電源装置である。高速にスイッチングを行う事からEMIが発生しやすい。 スイッチングトランジスタなどを用い、交流電源を直流電源に変換する装置。スイッチング式直流安定化電源とも呼ぶ。小型、軽量で、電力変換効率も高いものである。

交流は直流に整流され、スイッチングレギュレータと呼ぶ電力調整部分は、起動回路、平滑回路、過電流・過電圧保護回路、ノイズフィルタ回路等を付加したものである[1]

シリーズレギュレータのように、高い入力電圧から低い電圧を得るために電圧降下分を半導体素子の能動領域や抵抗に負わせジュール熱として放出する方式とは異なり、半導体素子の飽和領域と遮断領域における動作のみで所望する電圧を得ることができるため、半導体素子の電力損失を少なくでき、電力変換効率を高くすることができる[1]

スイッチング電源には「降圧(ステップダウン)、昇圧(ステップアップ)、昇降圧」という分類と「定電圧、定電流、定電力」という分類がある。出力電圧制御は、スイッチングレギュレータ部のデューティ比で行う。デューティ比の設定は、出力電圧の検出電圧と基準電圧を誤差増幅器によって比較しスイッチングレギュレータ部に帰還をかけることで行う[2]。入力・出力間を絶縁する場合は、誤差増幅信号をフォトカプラでスイッチングレギュレータ部に伝達する。スイッチングレギュレータ部のオン・オフ周波数は高いほど電圧の変動(リップル)が小さくなり高速な応答が可能であり、使用するトランス、平滑リアクトル、コンデンサ等の小型化も可能となり、電源全体の小型化、軽量化を図ることができる。回路設計においては、伝導ノイズや不要輻射も考慮される。LED点灯回路など電圧による制御が困難・非効率な場合には定電流型を使用する[3]

スイッチング制御方式[編集]

パルス変調により電力を制御する、電源回路制御方式である。

スイッチング周波数が高いほど、受動素子の小型化と高速応答が可能になる。

軽負荷時にスイッチング周波数を下げて、スイッチング損失を減らし待機電力を減らす制御方法も存在する。 また、負荷素子の電圧の多様化に伴い、多種類の電圧を同時に出力する集積回路も使用されている。

出力電圧の制御は、デューティーサイクルの制御(パルス幅変調)によって行われる。一部にはスイッチング周波数や位相の制御によるものもある。トランスを用いたものでは、トランスの巻き数比も出力電圧を決定するパラメータとなる。

降圧型(ステップダウン)[編集]

降圧型は、電流をスイッチングして制御した後、コイルコンデンサを使用して平滑化する。

97%と高効率の回路も存在しており大電力を必要とする回路に使用されているが、PCATX電源などではコスト削減を優先するために効率は60%程度で力率も低い電源が使われているものが多い。

降圧型には「多相(マルチフェーズ)」があり、これは出力波形が直流に近くなることから、電圧・電流リップルが小さくなる。

主な部品はスイッチング素子(大電力・高速スイッチング用)、コンデンサー、コイル、ダイオード(主にショットキーバリアダイオード)、フォトカプラ(出力電圧負帰還用)である。

昇圧型[編集]

100V交流を使用する機器を車内で使用する場合などに使われるインバーターに使われる。インダクタの逆起電力を利用することで入力より高い電圧を取り出す仕組みになっている。

昇降圧型[編集]

入力よりも高い電圧または低い電圧を取り出せる。インダクタの逆起電力により負電圧を作り出すものを指すことが多いが、広義には正電圧をつくることができる方式を含めることがある。

フライバック式[編集]

入出力がトランスにより絶縁されている方式の一種。トランス(高周波用トランス、パルストランス)にパルスを入力し、相互誘導によって出力電圧を作り出す方式である。

その他の方式[編集]

コイルが不要で、携帯電話など小型機器に多く使用されている「スイッチトキャパシタ」、デジタル量によって出力電圧を高精度に設定する「VID」などがある。

日本の産業用主要スイッチング電源メーカー[編集]

脚注[編集]

  1. ^ a b 原田耕介 1992, p. 24.
  2. ^ 原田耕介 1992, p. 25.
  3. ^ 発光ダイオードの電流-電圧特性グラフを参照。

参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]