forフレッシャーズの世界01

2011 Autumn(No.116)

forフレッシャーズの世界03

◆基礎編

イントロダクション

知ってる人も再確認しよう
電源回路とは何か,負荷とは何か
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第1章

回路動作の概要から,よく使う測定器まで
設計前に知っておきたい基礎知識
1-1 電源回路の役割は?
  • 役割をしっかり理解してから設計を始めよう
1-2 リニア電源とスイッチング電源はどうやって出力を制御している?
  • 2種類の方式の違いと特徴を理解して,使い分ける
1-3 スイッチング方式にはどんな種類がある?
  • 主なものは二つ,その特徴を理解しよう
1-4 エネルギー有効活用に必要なPFC機能とは?
  • 波形コントロールにより効率を上げる力率改善とは?
1-5 電源の基本的な特性はどのように測定する?
  • 電子負荷,オシロスコープ,ディジタル・マルチメータ,ディジタル・パワー・メータなどを使いこなす
1-6 高di/dt測定に電流プローブは使える?
  • 正確な測定には不向き,低抵抗挿入による電圧測定が高精度測定に向く
1-7 世界の電源電圧はどうなっている?
  • ワイド入力電源設計時に必要な知識
1-8 電源に関する規格,安全規制にはどのようなものがありますか?
  • 各国,各地域によってさまざまな規格と規制があるので注意
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第2章

AC入力電源,DC入力電源の基本を知る
電源回路の基本構成と必要なもの
2-1 AC入力の電源回路に必要なものは?
  • 商用電源ラインに接続するため,安全対策やノイズ対策の部品が必要
2-2 AC入力の電源回路にはどんな種類がある?
  • トランス・スイッチ素子やトランスの使い方でいくつかに分類される
2-3 DC入力の電源回路にはどんな種類がある?
  • 連続電流を伝えるか継続電流か,インダクタを用いるかどうかでいくつかの方式に分かれる
2-4 降圧型チョッパと昇圧型チョッパの違いは?
  • 蓄えつつ負荷にも供給する降圧型と,蓄える期間は負荷に供給できないのが昇圧型
2-5 POL電源とは何か?
  • 高性能のCPUやFPGAでは負荷の直近で電源を作り出す必要がある
2-6 電源回路設計のトレードオフとは何か?
  • 一つの特性を良くすれば別の特性が悪化するという関係
2-7 降圧型DC−DCコンバータの基本動作は?
  • 入力から負荷に供給するエネルギーをスイッチで断続する
2-8 インダクタを流れるリプル電流とは何か?
  • スイッチがオンの期間にインダクタ電流が増加し,オフの期間に減少する繰り返しとなる
2-9 インダクタの選択で考慮すべきトレードオフとは何か?
  • インダクタの電気的な特性は,物理的な大きさや形状と関連する
2-10 降圧型DC−DCコンバータのインダクタとコンデンサの選び方は?
  • 互いに補い合う性質を持つ素子であり,うまく組み合わせることが大切
2-11 出力コンデンサを積層セラミックにすると発振するというのはなぜですか?
  • 電圧を安定化するためのフィードバック制御は,制御ICや素子の特性によって発振することが
    あるので注意が必要
2-12 電源回路の効率と損失の関係は?
  • 入力から取り込んだ電力の何%を出力できるか
2-13 降圧型DC−DCコンバータの損失の発生要因は?
  • 電源IC,素子などさまざまな部分で損失を発生する
2-14 損失の具体的な見積もり方は?
  • 個々の損失には見積もりやすいものと見積もりにくいものがある
2-15 降圧型DC−DCコンバータの設計手順を教えてください
  • 計算すべき事項はとても多いが,その順番や方法はだいたい決まっている
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第3章

DC−DCコンバータを安定動作させる
電源回路用部品の種類と選び方
3-1 コンデンサの周波数特性とフィルタ効果についての注意点は?
  • 種類と容量を組み合わせて希望の特性を得るには
3-2 コンデンサのリード・インダクタンスの影響でリプル電圧はどう変わる?
  • いろいろなコンデンサで実験して確かめよう
3-3 デカップリング・コンデンサの限界は?
  • 実験して波形を見てみよう
3-4 DC−DCコンバータの低温時のリプル・ノイズの原因は?
  • 電解コンデンサの温度特性を実験で確かめる
3-5 POLコンバータの不適切なレイアウトとそれによる電源異常とは?
  • 配線インダクタンスや抵抗に気をつけよう
3-6 高速POLの理想的配置方法は?
  • 互いの距離感とコンデンサの付加が大切
3-7 DC−DCコンバータに多数の負荷を配線する場合の注意点は?
  • 分岐点に工夫しよう
3-8 市販のPOLコンバータにコンデンサを付加して応答速度は改善できる?
  • 実際に実験して確かめる
3-9 超高速POLコンバータを最高速で超安定に使いこなすには?
  • 付加コンデンサの効果について実験した
3-10 市販コンバータで簡単に立ち上がりシーケンス回路を作る方法は?
  • コンバータ自身の機能を活用する
3-11 ディジタル,アナログ混在回路用の電源回路をモジュールで作る際のポイントは?
  • 市販モジュールで構成する
3-12 ショットキー・バリア・ダイオードを高温で動作させたときの問題点は?
  • 実際に実験して確かめる
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第4章

POLからチャージ・ポンプ,高電圧品まで
電源回路の種類と特徴
4-1 DC−DCコンバータの回路方式と特徴は?
  • 三つのタイプを概観する
4-2 PWM制御の使い方と回路のしくみは?
  • パルス幅変調の基本について学ぼう
4-3 効率が1%低下するとどのくらい損失が増える?
  • 効率と損失の関係を見積もる
4-4 負帰還の位相/ゲイン特性を確認する簡単な方法は?
  • 実験回路を使って位相余裕と実際の電圧波形のようすの関係を調べよう
4-5 スイッチング素子と転流素子の選定で効率はどのように変わる?
  • 降圧型DC−DCコンバータの3種類の回路方式について検討してみる
4-6 ダイオード整流と同期整流の違いは?
  • 専用ICの特徴と価格を考慮して検討しよう
4-7 同期整流方式のメリットは何ですか?
  • 負荷変動に対する過渡応答に優れる
4-8 無負荷時におけるダイオード整流と同期整流の動作の違いは?
  • 同期整流では入力側にエネルギーを戻すことができ安定した出力電圧を維持できる
4-9 ダイオード整流で軽負荷時のノイズが重負荷時よりも大きくなる場合が
あるのはなぜか?
  • インダクタ電流が不連続になるときにリンギングが発生することがある
4-10 フォワード・コンバータ,アクティブ・クランプの同期整流回路は
どのように動作するのか?
  • タイミング・チャートで回路動作を整理しよう
4-11 DC−DCコンバータのリモート・センシングとは何か?
  • 負荷の電圧を正確に知るために配線経路を出力電流と別に設ける
4-12 リモート・センシングの配線はどのようにしたら誤動作しにくいか?
  • センシング線を引き延ばして実験し,ノイズやリプルの大きさを評価
4-13 チャージ・ポンプとインダクタを使うDC−DCコンバータは
どのように使い分ければよいか?
  • 二つの専用ICを使った回路を紹介する.チャージ・ポンプは小型小電力用途
4-14 ハイ・サイド・スイッチにMOSFETを使った場合Pチャネルと
Nチャネルではゲート電位はどのように違うのか?
  • NチャネルのときはBOOTピンに昇圧コンデンサが必要
4-15 ハイ・サイド・スイッチのNチャネルMOSFETを駆動する
チャージ・ポンプ回路の動作は?
  • MOSFETの耐圧を超えないように対策が必要
4-16 ダイオード整流+NチャネルMOSFET駆動用チャージ・ポンプ回路が
電池駆動機器に使われないのはなぜか?
  • 軽負荷動作には不向きだが,動作できるように対策済みのICもある
4-17 放電で電圧が下がる電池をエネルギー供給源としたとき
降圧型DC−DCコンバータはどのように動作する?
  • ハイ・サイド側のスイッチングが不安定になり,ついには100%オンになる
4-18 入力が低下すると降圧型DC−DCコンバータの応答特性はどのように変わるか?
  • 高速負荷変動時の出力電圧応答を調べる
4-19 降圧型コンバータの動作電圧範囲に関する注意点は?
  • 入出力間電位差が大きいとときの出力電圧の振る舞いを調べる
4-20 大電流低電圧出力のPOLコンバータに求められる仕様はどのようなものがあるか?
  • 電圧精度を確保するためには多くの要求項目がある
4-21 高電圧を生成するコッククロフト・ウォルトン回路の動作は?
  • 出力電圧は段数に応じて増やすことができる
4-22 高圧電源のトランスは巻き線間結合容量との戦いというのはなぜか?
  • 線間をクロスさせるハニカム巻き線が使われる

 

 

◆実践編

第5章

保護回路や熱/ノイズ対策の常識を身に付けよう
電源回路の実装の注意点
5-1 半導体の使用温度と熱抵抗,許容損失の考え方は?
  • 考え方をマスタして,しっかり計算できるようになろう
5-2 放熱器の選ぶための方法は?
  • ディレーティングを考慮して放熱器の熱抵抗を決める
5-3 ベタ・グラウンド・パターンのノイズ低減効果は?
  • 比較実験してみよう
5-4 アモルファス・ビーズのノイズ低減効果は?
  • アモルファス材料はB-Hカーブの特徴からサージ電流や急峻な電流変化の緩和に最適
5-5 スイッチング電源のノイズ発生経路は?
  • スイッチのある一次側から変動電流ノイズがトランスの寄生容量やFGと放熱フィンの
    容量結合により入力側へ戻る
5-6 過電流保護回路の種類と使い方は?
  • 出力特性変化と出力遮断の二通りがある
5-7 過電圧保護回路の使い方は?
  • 過電圧の発生要因と対策について
5-8 コンデンサを利用してノイズを抑えるにはどのような回路がある?
  • アブソーバとクランプ回路を紹介する
5-9 スイッチング周波数の選定とノイズ規制の関係は?
  • 知っていないとノイズ規制がクリアできないかも
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第6章

誰でも実用設計や部品選定の手法を学べる
オンライン電源設計ツールの活用法
Prologue ツールを利用するのが今風のやり方
  • オンライン設計ツール「WEBENCH」で電源回路を一発で自動生成
6-1 LM2596を用いた降圧型DC-DCコンバータの設計例は?
  • 回路構成は基本回路そのもの,仕様に合わせてインダクタやコンデンサの定数を求める
6-2 動作特性表と特性グラフの見方は?
  • WEBENCHツールでは設計に必要な計算値を表やグラフで確認できる
6-3 部品表(BOM)の見方は?
  • WEBENCHツールでは設計に採用した部品データを部品表で確認できる
6-4 トレードオフを考慮した最適化の事例は?
  • 効率とサイズの両立は難しい,効率重視で最適化するか,サイズ重視で最適化するか
6-5 どんなデータを比較して最適化するか
  • それぞれの設計でサイズ,効率,コストを計算して比較する
6-6 どの部品をどう変えて最適化するか
  • インダクタ,コンデンサ,ダイオードなどの代替部品を検討する
6-7 最適化の効果が大きい部品を見つける方法は?
  • 元々損失やサイズが大きい部品は,改善効果も大きい
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第7章

最近のICで実用設計を体験する
LM22676による降圧型DC-DCコンバータの設計
7-1 LM22676を用いた降圧型DC-DCコンバータの設計例は?
  • パワーMOSFET内蔵で小型,低コストを両立した
7-2 LM22676ではどのような最適化が可能か?
  • 小型・低コスト化の余地は少ないが,効率はさらに向上できる
7-3 LM22676での設計で最適化の効果が大きい部品は何か?
  • 損失が大きいのはダイオードとインダクタ,サイズについては最適化の余地は少ない
7-4 入力電圧が変わると設計はどう変わるか?
  • 入力電圧が高くなれば,一般にオフ時間を長くしなければならないので,それに見合った設計が必要
7-5 出力電圧が変わると設計はどう変わるか?
  • 出力電圧が高くなれば,一般にオン時間を長くしなければならないので,それに見合った設計が必要
7-6 出力電流が変わると設計はどう変わるか?
  • 出力電流が大きくなれば,一般にインダクタンスを大きくし,各部品の電流容量やESR
    検討しなければならない
Appendix LM2596とLM22676の設計を比べる
  • 制御ICが変わると電源回路は大きく変わる
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第8章

スイッチング周波数可変型制御ICを使った電源設計と最適化
LM22670による降圧型DC-DCコンバータの設計
8-1 LM22670を用いた降圧型DC-DCコンバータの設計例は?
  • まずスイッチング周波数を決めてから,それに合わせて定数を計算する
8-2 LM22670ではどのような最適化が可能か?
  • スイッチング周波数を変更することで,効率やコストを最適化できる
8-3 効率を重視した最適化の事例は?
  • スイッチング周波数を低めに選び,部品も効率重視で選択する
8-4 サイズを重視した最適化の事例は?
  • スイッチング周波数を高めに選び,部品もサイズ重視で選択する
Appendix 効率,サイズ,コストの関係を整理すると
  • WEBENCHツールで計算した結果を比較・整理してみよう
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第9章

電子負荷で実験検証
低電圧・高速応答電源を調べる
9-1 POLとLDOのしくみと動作は?
  • サイズや効率などを考えて目的にあったものを選ぼう
9-2 高速応答試験の方法とターゲット・デバイスの種類は?
  • 7種類のデバイスを試験した
9-3 電子負荷装置を使った高速応答テストの結果は?
  • 10種類のデバイスを試験した
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