容量性絶縁：将来のAC/DC電力変換における基本的な構成要素

Zhihong Yu、MPS AC/DCおよびライティング製品マーケティングマネージャ

容量性絶縁は、信号アイソレータ、絶縁ゲートドライバ、絶縁トランシーバ、およびその他のアプリケーションの光カプラを置き換えるために過去10年間に開発された成熟したソリューションです。ただし、オフラインアダプタのフォトカプラを置き換えるために容量性絶縁を使用する可能性は、しばしば無視されます。この記事では、容量性分離が将来のAC/DC電力変換の基本的な構成要素になる理由、そして他のアイソレーションテクノロジーの性能をどのように超えるか、またエンドアプリケーションにもたらす独自の利点について説明します。

絶縁する理由と絶縁の種類

この記事で言及されている「絶縁」は、電気システムの機能セクションを絶縁して、それらの間に直流電流が流れるのを防ぐために使用されるガルバニック絶縁を指します。入力端が危険な高電圧である可能性がある電源の場合、入力は、十分な安全距離で制御端または出力端 (人がアクセスできる端子を含む場合があります) からガルバニック絶縁されている必要があります。制御側で障害が発生した場合、絶縁バリアが高電圧がユーザーに到達し、壊滅的な結果を引き起こすのを防ぎます。ガルバニック絶縁の詳細については、参考文献1を参照してください。

たとえば、電気自動車の場合と同様に、ドライブトレインに電力を供給する高電圧バッテリは、すべてのサブシステムにわたるさまざまな絶縁リンクによって低電圧電子機器から絶縁されています。別の例として、AC/DCバッテリ充電器は、出力が通常ユーザーがアクセスできるため、ULが絶縁保護を提供することを要求しています。ただし、IoTデバイスのAC/DC部分は通常の操作中にエンドユーザーと直接接触しないため、IoTデバイスはACからの分離を必要としない場合があります。

ガルバニック絶縁バリアは、光学的、磁気的、または容量性絶縁に基づいています (図1を参照) ^2、3。光技術は発光ダイオード (LED) ベースであり、出力フィードバック用のAC/DC変換で広く使用されています。ただし、フォトカプラの信頼性は、これらのデバイスが経年劣化、温度ドリフト、およびさまざまな電流ゲインの問題の影響を受けるため、低下する可能性があります。場合によっては、追加の過電圧保護 (OVP) のために2番目のオプトカプラが必要になり、PCBのスペースをかなり占有します。２個の大きなフォトカプラは、リファレンス4⁴で小さな5Wアップルアダプタがどれだけのスペースを取ってしまうかを簡単に見ることができます。

磁気絶縁は、結合インダクタを使用して実現できます。AC/DC変換における磁気絶縁の一般的な物理的形式は、特殊な工具付きリードフレームを使用して、一次側と二次側の間に磁気リンクを形成することです。参考文献1によると、磁気絶縁は電磁干渉に敏感である可能性があり、HVACシステムやモータを含むファクトリーオートメーションなどの一部のアプリケーションでは、高磁場が強くまた広く存在します。

図1：さまざまなガルバニック絶縁技術

直列に接続するために各ダイの上部に容量性絶縁バリアを追加することによって作成される容量性絶縁の場合、デジタル回路は、絶縁バリアを介してさまざまな信号をエンコードおよびデコードするために使用されます。容量性アイソレータはDC信号が通過できないため、本質的に絶縁の正しい選択になります。そのため、テレコムや産業用電力などの敏感で重要なアプリケーションで広く使用されています。容量性絶縁は磁気ノイズの影響を受けず、高いデータレートを維持し、消費電力を低く抑えることができます。容量性絶縁は信号を双方向に転送することもできますが、光カプラは単方向です。参考文献3は、容量結合についていくつかの懸念を提起していますが、当社独自の設計手法では、絶縁バリアを流れる容量電流と高いdV/dtの共通ノイズは、通常の動作ではフライバックコントローラに影響を与えません。

アダプタでの容量性絶縁の主な利点

アダプタでの容量性絶縁の第1の利点は、フライバックコンバータの完全な二次制御です。

USB電力供給急速充電器の場合、メーカーは既存のアダプタポートフォリオにはるかに高い電力を追加することが期待されていますが、それでもかなり小さいサイズです。これには、高周波フライバックコントローラ、2次同期整流器、および高効率が必要です5 。ここでの課題は、一次側から二次側への良好な通信を高周波で維持して、それらが同時にオンになり、深刻な問題を引き起こすのを防ぐことです。 容量性分離は、これに対する簡単な解決策を提供します。フライバック制御が2次側で生成される場合、コントローラは同期整流器 (SR) のターンオフを検知し、容量性絶縁リンクを介してフライバックをすばやくオンにすることができます。二次側から一次側への伝搬遅延が非常に短いため、安全な動作と高周波動作の可能性を提供します。したがって、ユーザーは、フォトカプラベースのフライバック電源で通常必要とされる個別のプライマリおよびセカンダリコントローラの難しい設計と比較して、完全な操作が単一のICに統合される真に確実なSRソリューションを利用できます。

2番目の利点は、容量性絶縁がフォトカプラよりも高い信頼性を提供することです。文献6によれば、静電分離は引用文献6に記載のフォトカプラに比べて以下のいくつかの利点を有します。

• より速い伝搬時間と、対電圧と対熱のより良いパラメトリック安定性
• フォトカプラよりもはるかに低い期間内故障 (FIT) 率と、-40 ～ +125°Cのより広い動作温度範囲アイソレーションバリアの寿命も、フォトカプラの寿命の数倍です。部品間のマッチングは、フォトカプラで使用されるプロセスよりもはるかに厳密です。
• 容量結合出力は低または高のいずれかであり、オプトカプラに見られるあいまいな出力状態はなく、優れた対電圧および対熱のしきい値安定性があります。
• より高速でより正確なタイミング、低電力動作、および内部寄生結合の低減により、CMTIが向上します。

容量性絶縁の4番目の利点は、ソフトスイッチングをサポートできる可能性があることです。これまで、ZVSやアクティブクランプなどのソフトスイッチングは、2次側から１次側への通信なしでは実現が非常に困難でした。しかし、容量結合を使用すると、さまざまなスイッチの寄生容量を完璧なタイミングで簡単に放電してソフトスイッチングを実現でき、正確な制御ではるかに高い効率と信頼性を提供します。

MPX2001

MPSのMPX2001は、フライバックコンバータ制御用の容量結合を集積した最初にリリースされたICです。MPX2001は、一次駆動回路、容量性絶縁、および同期整流ドライバをすべて1つのチップに統合しています (図3を参照) 。

このICのいくつかの重要な機能は次のとおりです。

• 4.5kVrms絶縁、100％生産HIPOTテスト、UL1577およびIEC62368安全性認可
• 20mW未満の非常に低い待機電力消費
• 起動用の650V集積電流源
• 200V集積コントローラ、DCMとCCMの両方の動作をサポート
• ４ポイントの平均効率 91％以上
• OVP、POCP、OLP、電圧低下、SCP、OTP、UVLOなどを含む含む完全な保護機能
• 調整可能なケーブル落下補償

図3：MPX2001基本回路図

図4は、MPX2001およびCypress CCG3PA USBPDプロトコルICに基づいて作成された認定済みの45WUSB PDアダプタを示しています。示されているボードは、過去のソリューションと比較して明らかに単純なBOMを備えています。

MACbookを充電するMPX2001ベースの45W USB PDアダプタ (電流は電源ではなくコンピュータBMSによって制限されています)

さらに、容量結合はオールインワンソリューションとしてフライバックコントローラの二次制御を可能にするため、将来のチップセットに大きなチャンスをもたらします。たとえば、USB PD制御は、セカンダリ側のPDプロトコル通信ICによって処理されます。これをオールインワンソリューションに完全に集積し、待機電力の削減、ボードサイズの縮小、およびBOMの全体的な縮小を実現できます。

別の例として、多くの市販のLED照明器具は、0～10Vのアナログ調光器またはデジタルPWM調光器によって制御されます。両方の調光器は、小さな絶縁トランスと10個を超える外部コンポーネントを使用して、2次側のLED電源を制御しています。これらはまた、二次制御側に統合され、LED照明のオールインワンソリューションになる可能性があります。

さらに、デジタル電源制御はハイエンド電源設計で普及しており、その多くはサーバー電源用であり、MCU / DSPが容量性絶縁ドライバと通信を備えた一次側と二次側で使用されます。このようなソリューションには、高い初期投資、高い全体的なコスト、および長い開発サイクルが必要です。アナログチップセットで容量性アイソレーションが利用できるようになったため、デジタル制御の利点は、将来、コストに敏感なさらに多くのアプリケーションに適用できます。

まとめ

この記事では、容量性絶縁が全体的な絶縁技術でより優れている理由、AC/DC変換に静電容量絶縁を適用する方法、および将来のAC/DC電力変換設計で二次制御が多くの潜在的な利点をもたらす方法を紹介しました。MPSのMPX2001は、フライバックコンバータ制御用の容量結合を統合するための理想的なオールインワンソリューションです。MPSからのSRコントローラおよびその他のAC/DC IC情報の詳細については、www.monolithicpower.com/jpにアクセスするか、販売代理店までお問い合わせください。

¹ https://training.ti.com/zh-tw/introduction-isolation?cu=1135015
² https://www.silabs.com/documents/public/white-papers/CMOS-Digital-Isolators-WP.pdf
³ http://www.powerguru.org/psu-ics-use-innovative-technology-to-reduce-25w-charger-cost-and-bom-count/
⁴ http://www.righto.com/2012/05/apple-iphone-charger-teardown-quality.html
⁵ Legislation in Power Supply Efficiencies Calls for Adopting Synchronous Rectifiers in Offline Power, https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/legislation-in-power-supply-efficiencies-calls-foradopting-synchronous-rec/
⁶ https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN731.pdf
⁷ http://www.ti.com/tool/TIDA-00702#1
⁸ https://www.dialog-semiconductor.com/sites/default/files/EBC980B_Reference_Design.pdf

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