スイッチング電源設計における周波数選択 (第2部)

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はじめに

本稿は、スイッチング周波数設計について掘り下げた2部構成のシリーズの第2部です。第1部では、スイッチング周波数の主要指標の計算方法と、より高い周波数での課題について復習しました。第2部では、これらのスイッチング周波数の概念を実用的なシナリオに適用します。

電力エンジニアは、実際のアプリケーションの動作周波数範囲と変動特性を決定するために、多数の要素を考慮する必要があります。本稿では、低周波数から高周波数まで分類された周波数軸にまたがる一般的な電源を設計するための基本的なポイントを探ります。

20Hzと20kHzの間の周波数

人間は20Hzから20kHzの間の周波数を聞くことができます。軽負荷時の効率を向上させるために、スイッチング電源は周波数をこの可聴範囲内に抑えることがよくあります。特に、約5kHzの周波数はシャープで甲高い音を出します。この音の主な発生源は、回路内の静電容量および誘導のエネルギー蓄積デバイスです (図1参照)。

図1 : 可聴範囲

軽負荷状態では、電源のスイッチング周波数は可聴範囲内になります。コンデンサの圧電効果とインダクタンスコイルの反発力により、スイッチング時に発生するパルスエネルギーによってデバイスが物理的に振動します。設計者は、低周波のスイッチングノイズによって発生する環境音の公害を最小限に抑える方法を検討する必要があります。

可聴ノイズの低減

周波数が20 Hz~20kHzのときに生成されるサウンドを軽減するには、次の手順に従います

  1. スイッチング周波数を20kHz以上に保つか、20kHz未満の周波数帯域内のノイズ源のエネルギーを制限します。たとえば、軽負荷 (または無負荷状態) では、インダクタとコンデンサの両方の電流ピークが制限されます。
  2. インダクタとコンデンサなどの部品間の物理的な振動 (トランスの浸漬、ベース付きセラミックコンデンサの使用など) を固定します。

図2は、25kHzの固定周波数でのピーク電流を示しています。

図2 : ピーク電流 (25kHz 固定周波数)

20kHz~150kHzの間の周波数

大型、汎用、小型、中電力のスイッチング電源など、さまざまな電源タイプは、高電圧絶縁型電源と低電圧非絶縁型電源の2つのカテゴリに分類できます。

高電圧絶縁型電源は、アダプタや照明ソリューションで一般的に使用されています。これらはシリコンの特性やEMI規格により、一般に20kHz~150kHzで動作するように設計されています。

シリコンの特性

シリコン (Si) は主流のMOSFETに共通する要素で、電子移動度、帯域幅、ボディダイオード、寄生素子 (寄生容量) に基づいて周波数範囲を決定します。これらの変数はデバイスのアプリケーションに影響します。

材料科学の進歩に伴い、新材料 (炭化ケイ素 (SiC) や窒化ガリウム (GaN) など) を用いた半導体スイッチング素子は、製品を小型化するために徐々に量産段階に入りつつあります。これらのデバイスにはバンドギャップ制限があり、移動率はシリコンの2~4倍で、寄生容量とインピーダンスはシリコンの10~30%です。これらの特性により、高周波に起因するスイッチング損失に対処できます。

図3は、さまざまな電力、電圧、周波数範囲におけるSiの特性を示しています。

図3 : Si特性

EMI規格

EMI規格によると、スイッチング周波数は75kHz未満に設定されています。ピーク倍増ノイズは150kHz以下の範囲に収まります (図4参照)。150kHz未満の周波数帯域は制限基準が緩いため、結果として一般的なインダクタと電力容量の値が大きくなります。

図4 : 75kHz未満のスイッチング周波数でのピーク倍増ノイズ

電力線キャリア

電力メーターの電源設計では、電力線キャリア (PLC) の信号伝送の周波数点など、避けるべきスイッチング周波数ポイントがいくつかあります。PLCは、既存のAC電源ラインを使用して通信信号を伝送します。

信号伝送は、固定された固有の通信周波数 (例 : 58kHz、77kHz、115kHz) です。情報を取得するために、PLCは電源周波数に重畳された固定高周波信号を読み取ります。ただし、通信信号が電源スイッチ信号の影響を受けると、通信エラーが発生し、PLCの動作に影響します (図5参照)。電源方式を採用することで、通信の干渉を防止するスイッチング周波数を固定することができます。

図5 : 高周波PLC通信周波数の干渉

200kHzと1MHz (またはそれ以上) の間の周波数

中電圧および低電圧の非絶縁型スイッチの設計では、より高い周波数を使用します。これらの設計は、一般的な電子製品に広く利用されています。

中電圧および低電圧の非絶縁型スイッチの設計では、効率、発熱、および小体積を1つのソリューションに統合する必要があります。これらのアプリケーションは通常、200kHz~1MHz以上で、オンボードスイッチング電源動作の主要周波数帯域でもあります。CISPR 25は、350kHz未満、または525kHz~1610kHzの間のスイッチング電源周波数に明確な制限を設けて、車載グレードデバイスのEMIに関する厳しい基準を定めています (図6を参照)。スイッチング電力の周波数範囲は400kHz~500kHzに設定するか、1.6MHzを超えるようにするのが妥当です。

図6 : CISPR 25 スイッチング電力周波数制限

EMI要件に加えて、車載用電源はAMおよびFMの周波数帯域を避けなければなりません。低周波AM帯域はスイッチング電源の主な動作周波数帯域であるため、スイッチング電源に残っている実際の周波数帯域は制限されています。

高周波スイッチング電源設計

高周波は、将来のスイッチング電源にとって重要な機能です。以前は、周波数を上げるとエネルギー貯蔵が減少することが理解されていました。シリコン技術への改良と相まって、スイッチング電源回路全体をモジュール電源と呼ばれる非常に小さなスペースに集積できるようになりました。このシナリオでは、現在のメインストリーム周波数は3MHz~4MHzの間で増加しています。モジュールの電源はこの範囲内で動作し、チップは2mm x 3mmまで小さくすることができます (図7参照)。

図7 : 2mm x 3mmチップ上のモジュール電源

高周波設計により、誘導性デバイスの電源要件が低減され、従来のトランスの骨格や銅線が不要になります (図8参照)。また、PCBの多層コイルを使用して、薄型プレーントランス設計を実現しています。高周波領域では、PCBコイルまたはPCB寄生インダクタのみを使用して電力伝送を完了します。高周波設計により、磁気コアや中空インダクタが不要になり、デバイスのコストを大幅に削減できます。結論として、高周波設計は絶縁型電源モジュールのサイズを最小限にします。

図8 : 従来のトランス部品

結論

この記事では、引き続き3つの異なる周波数範囲を持つスイッチング電源の設計方法を検討しました。新しい電源デバイスの普及に伴い、電力設計者は機能をさらに向上させ、設計を簡素化するアプローチを模索しています。MPSは、固定、可変、および高周波電源アプリケーション向けのスイッチング電源設計を可能にする革新的な電源ソリューションを提供します。

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