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フライバック・コンバータスイッチON/OFF時の電流・電圧挙動


出力電圧制御と巻き線比

運転モードの選択

図1　フライバック・コンバータの出力電圧は，負荷で消費される電力とインダクタに蓄積されるエネルギのバランスで決まる画像クリックで記事を読む〈著 並木 精司〉

フライバック・コンバータの基本動作

フライバック・コンバータは，メイン・スイッチSWがONのときにトランスのインダクタンス$L$にエネルギを蓄え，SWがOFFになるとそのエネルギを出力側に放出する方式です．蓄えられたエネルギは整流回路とキャパシタで平滑され，負荷抵抗に供給されます．逆起電圧（フライバック電圧）によってインダクタからエネルギを取り出す特性が名前の由来です．

スイッチON/OFF時の電流・電圧挙動

SWをONにすると$V_{in}$によりインダクタに電流が流れ始め，時間$t$とともに直線的に増加します．鉄心が飽和しない範囲で，電流変化量$\Delta I$は次式で表されます：

$\Delta I = \frac{V_{in} \times t}{L}$

蓄えられたエネルギ$E$は次式です：

$E = \frac{1}{2} L （\Delta I）^2$

SWがOFFになると，インダクタは蓄えたエネルギを放出します．放出時の電流変化は逆起電圧$V_f$と放電時間$t_{discharge}$により次式で表されます：

$\Delta I = - \frac{V_f \times t_{discharge}}{L}$

放出回路にはダイオード，キャパシタ，負荷抵抗で構成される整流回路が使用され，フライバック・エネルギが制御されます．

出力電圧制御と巻き線比

希望する出力電圧$V_{out}$は，負荷で消費される電力とインダクタに蓄積されるエネルギのバランスで決まります．トランス巻き線比$N_S/N_P$は出力電圧の範囲に合わせて設定され，フライバック電圧$V_f$やオン・デューティ$D_{on}$を考慮して最適化されます．

  1. 入力電圧$V_{in}$：5Vで安定供給
  2. 出力電圧$V_{out}$：3～28V可変
  3. メイン・スイッチ：ON時にエネルギを蓄え，OFF時に放出
  4. トランス巻き線比：フライバック電圧$V_f$を15Vに設定
  5. ON時間$T_{on}$：最小入力電圧で7.6μsに調整
  6. OFF時間$T_{off}$：スイッチング周期10μsから$T_{on}$を引いて2.4μs
  7. 入力平均電流$I_{inave}$：0.888A
  8. スイッチ電流$I_{sw}$：ピーク1.1684A

運転モードの選択

フライバック・コンバータは不連続モード（DCM），連続モード（CCM），臨界モード（QRM）の3種類で動作します．本電源では，連続モードCCMを採用しました．理由は不連続モードではピーク電流が大きく損失が増え，臨界モードは固定スイッチング周波数ICでは運用できないためです．連続モードでは，インダクタの1次巻き線電流が連続的に流れ，出力安定性が高く効率的にエネルギを供給できます．

〈著：ZEPマガジン〉

著者紹介

  • 並木 精司
  • 1967年 タムラ製作所に入社．電源トランスの設計，スイッチング電源の設計，海外工場の責任者などを経て定年後も63歳まで海外拠点でスイッチング電源やACアダプタの開発のサポート．現在はパワーアシストテクノロジーに在籍し，各種電源装置の開発に従事．

著書

  1. 低雑音＆高効率！LLC絶縁トランスの定数設計法，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. 高速パワー素子GaN搭載 30W小型充電器の分解レポート，トランジスタ技術2020年10月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ロスレス＆雑音レス！スイッチング電源「LLC」のパソコン設計術，トランジスタ技術2018年5月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. 世界最小＆最軽量！65WノートPC用ACアダプタ DART 実験大解剖，2018年2月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. 粗悪品と優良品を見極めろ!4種類のiPhone充電用ACアダプタ，トランジスタ技術2016年3月号，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. 出力3.3～24V/0～0.3AのハンディUSB実験用電源，トランジスタ技術2014年12月号～2015年3月号，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［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】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［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．
  4. ［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．
  5. ［VOD］Linux搭載USBマルチ測定器 Analog Discovery Proで作る私の実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［動画］初めての電源・アナログ回路設計［DC-DC コンバータの製作］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［YouTube］電子回路の素［トランジスタ編］，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［YouTube］高校数学からはじめる「ベクトル解析」，ZEPエンジニアリング株式会社．