実験!スイッチング電源入門 ノイズと発振への対応
強力な高周波ノイズやリプルを減らすテクニック
- 著者・講師:善養寺 薫
- 主催:ZEPエンジニアリング株式会社
- 企画・編集:ZEPエンジニアリング株式会社
スイッチング電源の設計は,高効率の代償「ノイズ」といかに向き合うかだ
図1 小型化に欠かせない高効率電源「DC-DCコンバータ」は,パワー・トランジスタの高周波スイッチングでエネルギの蓄積と放出を繰り返し,大きなノイズを発生させます.その対策を実験で見てみよう.画像クリックで動画を見る.または記事を読む.詳細は[VOD/KIT/data]実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門 |
スイッチング電源の基本構造と動作
スイッチング電源は,高効率なエネルギ変換を実現する回路で,DC-DCコンバータやAC-DCコンバータとして多くの電子機器に使用されています.基本的にはトランジスタの高速なON/OFF動作によりエネルギを蓄積・放出する構造をもっています.具体的には,インダクタ $L_r$ やキャパシタ $C_r$ を用いて,エネルギを蓄えたり放出したりしながら,高周波でのスイッチングを行います.
スイッチング動作が急峻であるため,ノイズが発生しやすい点がスイッチング電源の特徴です.このノイズは,急激に変化する電流が回路を流れることで,電磁波として放射され,周囲の電子機器に干渉を及ぼすことが多いです.特に,負荷が大きくなるとノイズの影響が顕著に現れます.
オシロスコープによる動作確認
オシロスコープを使用してスイッチング電源の出力を確認すると,負荷の影響によって出力に変動が見られることがあります.例えば,5Vを出力するDC-DCコンバータでは,負荷が軽いときは出力電圧が安定していますが,負荷を増やすと出力にヒゲ状のノイズが現れます.これは,負荷が大きくなるほどノイズが増えるという,スイッチング電源特有の現象です.
\[ \begin{align} V_{\text{out}} & = 5 \, \text{V} \quad (\text{負荷なし}) \\ V_{\text{out}} & = 5 \, \text{V} + \text{ノイズのヒゲ} \quad (\text{負荷あり}) \end{align} \]
このノイズの発生は,インダクタやキャパシタの選定,および位相補償によって抑制可能です.特に,出力に適切なキャパシタを追加することで,ノイズのピーク間の振幅が小さくなります.
キャパシタと位相補償によるノイズ低減
スイッチング電源のノイズ対策には,外部キャパシタやインダクタの選定が重要です.例えば,50V 100μFのキャパシタを出力側に追加することで,ノイズの振幅が小さくなることが実験で確認されています.ただし,キャパシタを大きくしすぎると,回路全体の安定性や応答性に悪影響を与える可能性があるため,適切な値を選ぶ必要があります.
さらに,位相補償も重要です.負荷が大きくなると,5V出力が大きく振動してノイズが発生することがあります.これは,OPアンプの動作が速すぎることが原因で,キャパシタを用いて動作を緩和することで対応します.
位相補償とノイズ低減
位相補償は,スイッチング電源の安定動作において重要な役割を果たします.特に,負荷が変動する際に出力が大きく振れる場合は,OPアンプの動作が速すぎることが原因であり,適切な位相補償を行うことで,安定した応答を得ることが可能です.
位相補償の実際の調整は,ICメーカのデータシートに記載された推奨値を参考にしつつ,実際の回路に合わせてチューニングを行います.この調整作業は,スイッチング電源設計において最も難しい部分の1つです. 〈ZEPマガジン〉
著者紹介
- 2010年 沼津工業高等専門学校 専攻科 卒業
- 2010年 FA機器/ハード・ディスク製造装置設計業務に従事.その後ベンチャーにて半導体検査/医科学用電子顕微鏡,半導体製造装置,理化学機器の研究開発設計に従事
- 2020年 静岡県創業者育成施設審査通過し,個人事業として独立
- 2022年 株式会社ディスクリテック設立,現在に至る
著書
- [VOD/KIT/data]実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD]動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 完全マニュアル】,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD]動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 プロの仕上げ技101】,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD/KIT]すぐ動く!BM83 Bluetoothスタータキット,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD/Pi KIT]MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD/KIT]MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門
- 一人で始めるプリント基板作り,トランジスタ技術Special No.127,CQ出版社
- 商用利用OK!噂の完全フリー基板作成ツール KiCad,トランジスタ技術2015年3月号,CQ出版社.
- 1枚100円も!世界のプリント基板ネット通販メーカ,トランジスタ技術2016年7月号,CQ出版社.
- 部品の足にジャストフィット!フットプリント作成,トランジスタ技術2017年5月号,CQ出版社.
- コネクタなどの特殊部品のフットプリントを高速自作!CQ FootprintTracer,トランジスタ技術2017年10月号,CQ出版社.
- はじめてみませんか?プリント基板ネット通販生活,トランジスタ技術2018年2月号,CQ出版社.
- 工作実験室で活躍中!高コスパ電子工作ツール一覧,トランジスタ技術2018年12月号,CQ出版社.
- 成功間違いなし! BGA配線 10の基本ルール,トランジスタ技術2020年5月号,CQ出版社.
参考文献
- [VOD]高速&エラーレス!5G×EV時代のプリント基板&回路設計 100の要点,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD] Before After! ハイパフォーマンス基板&回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [Book/PDF]デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD/KIT]ポケット・スペアナで手軽に!基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石,ZEPエンジニアリング株式会社.
- [VOD]事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点,ZEPエンジニアリング株式会社.