パワー回路

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パワー回路 †

どんな電子回路でも、動作するためのエネルギーが必要となる。そのエネルギーを供給するのが電源・パワー回路である。デジタルでもアナログでも必ず必要。
パワー回路は、様々な負荷に対応するために、多くの種類がある。電子回路が安定して動作するためは、パワー回路が負荷の要求を満足している必要があり、重要なパート。
PCB上で使う、簡単な電源ICの定番は リニアタイプ、シリーズレギュレータとも呼ばれる、ドロップダウンタイプ。 各社から様々なものがリリースされている。
以前は ドロップダウン電圧に 2〜3V程度以上必要としたが最近は 数100mVや、それ以下でも動作可能な ロー・ドロップダウン・レギュレータ (LDR) が主流になっている。なお、ロー・ドロップダウン・アウトプット(LDO) とも呼ばれる。

選択方法の一例 †

電源回路というのは、負荷回路から見れば電気エネルギーを供給してくれる、電気エネルギーの源であるが、 実際には 一次側から受け取った電気エネルギーを 負荷の要求(電圧や電流、安定化の有無など) に応じて変換するエネルギー変換回路に過ぎない。 従って、一次側と二次側の関係や、コストに応じて適切に選択する必要がある。
一次側が商用電源などで供給能力に柔軟性や無限に近い容量がある場合や、入出力差が小さい場合には、リニア・レギュレータを検討する。 この場合、排熱に注意する。
一次側が乾電池や充電池など、供給能力に限界があり、効率が重視される場合、スイッチング型を 検討する。(主に)負荷の状況によって効率が変わるので、効率がよくなるものをデータシートを参照しながら 選択する。またスイッチングによる高周波が発生するので、発振周波数にも注意する。

リニア・レギュレータ †

• リニア・レギュレータの特徴
  • 安価で、単純なので、多く使われている。大容量でも熱問題を 除けば簡単
  • 入力と出力の差は熱として放出するので、効率が悪く、 電圧差が大きいと、排熱が課題
  • 入力と出力電圧の差が少ない場合、LDRを使うことで高効率にすることも出来る。
  • 原理的に、入力電圧は、出力電圧より高くないといけない。 昇圧は不可能
  • 電池を使う場合、熱による損失により、動作時間が短くなる 欠点がある

入力・出力・グランドの 3端子のみ利用するタイプが手軽で、よく流通している。3端子型、3端子タイプなどとも呼ばれる。 なお、入出力や、グランドなどを複数の端子に割り当て 大電流が流せるようにした、4端子以上のパッケージもある。 機能的には 3端子タイプと同じであるため、これらもまとめて 3端子型と呼ぶこともある。
端子の配置や、パッケージの大きさなどは 製品により異なるので、都度データシート等で確認が必要。 ドロップダウン電圧とは、入力電圧と出力電圧の差。例えば 出力電圧: 5V, ドロップ電圧: 200mVの場合、 入力電圧には最低 5.2V (出力: 5V + ドロップ 0.2V) が必要となり、5.2V以上あれば動作する。5.2V入力の場合、効率は 95%以上になるので、 複雑になり、ノイズなどが発生しやすいスイッチングタイプより有利。
入力電流と出力電流は ほぼ一致する。電圧制御回路でも消費されるが、通常はごくわずかであり、一般的には無視可能だが、負荷が停止している 状態でも通電する場合は、注意。

電源ICで消費する電力は下記の式で計算できる。消費電力は、熱として排熱される。

 消費電力 = (入力電圧 Vi - 出力電圧 Vo) * 出力電流 Io

効率は 同じように下記の式で計算できる

 効率 = (出力電圧 Vo * 出力電流 Io) / (入力電圧 Vi * 入力電流 Ii)  ※ 通常 Ii = Io

スイッチング・レギュレータ †

• スイッチングレギュレータの特徴
  • 高効率で安定化できる
  • 入力と出力が絶縁された絶縁型と絶縁されていない非絶縁型がある
    • 大電力を扱うものは、安全のために絶縁型になっていることが多い
  • DC/DCコンバータの回路は、ドロップダウン型に比べ複雑になり、 電源用ICも高価になる
  • スイッチングによるノイズが発生しやすい
  • 大容量のケースでは、回路が複雑になったり、正しく動作させるためには、部品の配置や配線方法が重要になってくる
  • 外付けインダクタをつけない、インダクタレス(チャージポンプ)方式なら、ドロップダウン方式並みに簡単
    • チャージポンプ式では 大きな負荷電流は取り出せる タイプがないようだ。(max 250mA程度?)
    • チャージポンプ式では 得られる電圧も 入力電圧の 2倍程度が限界?
  • DCDCコンバータは、その電圧変換の方式によって昇圧のみ、降圧のみ、どちらでも可能なタイプがある
    • ステップアップタイプ (昇圧のみ)
    • ステップダウンタイプ (降圧のみ)
    • ステップアップ・ダウンタイプ (昇圧・降圧)
  • DC/DCコンバータなら、昇圧も可能。 3〜4V程度の電池から 5Vや、それ以上の電圧(数十V)を得ることも可能
  • 電池対応の回路の場合、動作時間を延ばすことが可能。

モジュール型 †

必要な回路が基板の上に組み立てられていて、所定のDC電源やAC電源を供給するだけでよいものもある。 これらの製品を利用すると、電源回路の設計や組立等が省略でき、手軽に利用できる。