AC/DC コンバータ設計セミナー 第 1 回 AC/DC 変換の基礎 2013 年 9 月 11 日 LSI 商品開発本部グリーン IT モーション East ユニットアプリケーション East G
AC/DC 変換の基礎アジェンダ 2 1. AC/DC 変換の基本 2. 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 ( 概要 ) 4. AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項
AC/DC 変換の基本 3 1. AC/DC 変換の基本 1 整流方法 2 トランス方式 3 スイッチング方式 4 トランス方式とスイッチング方式の比較
AC/DC 変換の基本 4 なぜ AC/DC 変換が必要なのか? 電力がACで送られてくる 電子回路は基本的にDC 駆動で低電圧 なぜ AC で送電されるのか? 高電圧 / 低電流の送電で伝送損失が最低限 変圧が簡単でコストも低い 当面は AC/DC 変換が必要
AC/DC 変換の基本 5 全波整流 AC/DC 変換の基本 : 整流方法半波整流 LORD LORD 入力電圧 0 0 整流後 コンデンサ なし 0 0 整流平滑後 コンデンサ あり 0 0 Ripple 電圧
AC/DC 変換の基本 6 AC/DC 変換の基本 : トランス方式 VDC 100VAC 電圧 レギュレータ トランス ダイオードブリッジ整流器 コンデンサ 0
AC/DC 変換の基本 7 AC/DC 変換の基本 : トランス方式 電圧 レギュレータ 100VAC トランス ダイオードブリッジ整流器 コンデンサ
AC/DC 変換の基本 100VAC AC/DC 変換の基本 : スイッチング方式 ダイオードブリッジ整流器 スイッチング素子 高周波トランス 整流ダイオード (+) VDC 8 コンデンサ 制御回路 コンデンサ (-) 0
AC/DC 変換の基本 9 スイッチング方式で高 DC 電圧を降圧する仕組み PWM 方式のイメージ 電圧 時間 ( デューティサイクル %) 25% 平均化 電圧 75% 25% 50% 50% 50% 75% 75% 25%
AC/DC 変換の基本 10 AC/DC 変換の基本 : スイッチング方式 ダイオードブリッジ整流器 スイッチング素子 高周波トランス 整流ダイオード (+) 100VAC VDC コンデンサ 制御回路 コンデンサ (-)
AC/DC 変換の基本 11 AC/DC 変換の基本 : トランス方式とスイッチング方式 (+) VDC コンデンサ 100VAC 電圧 レギュレータ ダイオードブリッジ整流器 トランス スイッチング素子 ダイオード ブリッジ整流器 高周波トランス (-) 整流ダイオード (+) 100VAC VDC コンデンサ 制御回路 コンデンサ (-)
AC/DC 変換の基本 12 AC/DC 変換の基本 : トランス方式とスイッチング方式 トランス方式 比較的回路が簡単 ノイズが少ない ( 安定化がリニアレギュレータがある場合 ) 安価 体積 重量がかさむ 発熱が大きい 効率が劣る スイッチング方式 回路が複雑 高耐圧部品が多い スイッチングノイズあり 小型軽量化が可能 発熱が少ない 効率が高い
AC/DC 変換の基本 13 AC/DC 変換の基本 : トランス方式とスイッチング方式 AC アダプタの比較例 左 : 携帯機器充電用 入力 100VAC 出力 4.5V/600mA(2.7W) 右 : 携帯電話充電用 入力 100VAC 出力 5.4V/700mA(3.78W)
AC/DC 変換の基礎アジェンダ 14 1. AC/DC 変換の基本 2. 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 ( 概要 ) 4. AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 15 2. 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 (+) 電圧 レギュレータ (-) 制御回路
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 16 2. 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 1 リニアレギュレータ 2 フライバック 3 フォワード 4 Buck( 降圧 )( 非絶縁 )
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 17 平滑後の DC/DC 変換方式 : リニアレギュレータ IN OUT 許容入力は最大でも80V 程度 ( 仕様による ) 設計が簡単 / 部品が少ない ノイズが少ない (SWノイズがない) 安価 降圧しかできない GND 入出力差が大きいと効率が悪い 熱対策で放熱板が必要になる場合がある 現実的には許容損失は2W 以下 V IN MAX 有効入力範囲 損失電力 V DROPOUT V OUT 有効電力
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 18 平滑後の DC/DC 変換方式 : フライバック MOSFET が ON すると トランスの一次側巻線に電流が流れ エネルギーが蓄えられる この時 ダイオードは OFF MOSFET が OFF すると 蓄えられたエネルギーがトランスの二次側巻線からダイオードを通じて出力される シンプル 最小の部品点数で構成可能 入力電圧範囲を広くとれる 小容量のスイッチング電源に適する 出力コンデンサの Ripple 電流が大きい 出力精度をあまり要求されない場合は トランスの巻線比でおおよその出力を決定し 非安定出力電源としても利用可 自励型 (RCC) 他励型 (PWM) 擬似共振 (QR) がある
PWM フライバック方式の動作 ( 連続モードの場合 ) 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 19 スナバ回路 Vf Vgs Vout Vp Np Is Ns Vs Vp Lp ton toff VIN VOR VIN Ip Vs Vf+Vout Np VOR= (Vf+Vout) Ns Vgs Vds Ns VIN Np Vds VIN+VOR MOSFET が ON すると トランスの一次側巻線に電流が流れ エネルギーが蓄えられる この時 ダイオードは OFF MOSFET が OFF すると 蓄えられたエネルギーがトランスの二次側巻線からダイオードを通じて出力される Ip Is Np Ipk Ns Ipk VIN Lp
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 20 平滑後の DC/DC 変換方式 : フォワード D1 D2 小電力から大電力 (1.5KW) まで対応 制御が安定 トランスの利用効率はあまり良くない 出力精度をあまり要求されない場合は トランスの巻線比でおおよその出力を決定し 非安定出力電源としても利用可 MOSFET が ON すると ダイオード D1 が ON して インダクタを通して負荷に電流を供給する この時 D2 は OFF MOSFET が OFF すると インダクタに蓄えられたエネルギーをダイオード D2 を通して負荷に供給する この時 D1 は OFF
フォワード方式の動作 リセット回路 D1 IL Vgs Vp Np Ns L Lp D2 Vp VIN Ip ton toff VIN VR 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 21 Vgs Vds Vds VIN+VR VIN Ipk MOSFET が ON すると ダイオード D1 が ON して インダクタを通して負荷に電流を供給する この時 D2 は OFF MOSFET が OFF すると インダクタに蓄えられたエネルギーをダイオード D2 を通して負荷に供給する この時 D1 は OFF Ip IL Ipk= Im Np IL+Im Ns Im= VIN ton Lp -Vout L Iout
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 22 平滑後の DC/DC 変換方式 :Buck( 非絶縁 ) 降圧に使用 非絶縁 小電力用途 フォワード方式と同じ動作 (MOSFET がフォワード方式の D1 と同じ動作 ) MOSFET の制御のみで出力電圧が決まるので 出力の帰還は必須 フォワード方式 MOSFET が ON すると インダクタを介して負荷に電流が流れ インダクタにもエネルギーが蓄積される この時ダイオードは OFF MOSFET が OFF すると インダクタに蓄えられたエネルギーをダイオード D2 を通して負荷に供給する この時 MOSFET は OFF D1 D2
平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 23 Buck 方式 ( 連続モードの場合 ) Ip IL Vout Vgs ton toff L VL VIN-Vout Vout VIN Vgs VL Vds VIN VIN-Vout L Ip MOSFET が ON すると インダクタを介して負荷に電流が流れ インダクタにもエネルギーが蓄積される この時ダイオードは OFF MOSFET が OFF すると インダクタに蓄えられたエネルギーをダイオード D2 を通して負荷に供給する この時 MOSFET は OFF IL -Vout L Iout
AC/DC 変換の基礎アジェンダ 24 1. AC/DC 変換の基本 2. 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 ( 概要 ) 4. AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項
AC/DC 変換回路設計の設計手順 ( 概要 ) 25 3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 1 2 3 4 5 要求仕様固め制御 ( 電源 )ICの選択設計 周辺部品選定試作 評価量産設計 評価 出荷検査
3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 1 要求仕様固め AC/DC 変換回路設計の設計手順 (1) 26 1) 入出力 : 入力電圧範囲 出力電圧 / 精度 2) 負荷 : 電流 過渡有無 ( スリープ / ウェイクアップ含む ) 3) 待機時電力 効率 4) 温度 : 最大 / 最小 冷却 5) サイズ : 実装面積 高さ ( フォームファクタ ) 6) 必要な保護 : 低電圧 過電圧 過熱など 7) 特異な環境 / アプリケーション条件 : 車載 宇宙 / 通信 RFなど 8) コスト 2 制御 ( 電源 )ICの選択 1) 方式 : トランス方式 スイッチング方式 2) 方式 : 降圧 昇圧 昇降圧 反転 3) 方式 : リニア フライバック フォワードなど 4) 絶縁 / 非絶縁
AC/DC 変換回路設計の設計手順 (2) 27 3 4 5 設計 周辺部品選定 1) 主要変圧部品 : トランス ブリッジ ダイオード コンデンサなど 2)IC が必要とする部品 3) 各定数の計算 最適化 4) トランス設計 サイズ L 値 巻数 構造設計 ( 線径 層構成 ) 評価 試作 1) 評価ボード / ツールの利用 2) 試作基板作成 想定条件での動作 性能評価 3) デバッグ 最適化 4) 要求仕様に対し適合 / 不適合 トレードオフの判断 量産設計 評価 出荷検査
AC/DC 変換回路設計の設計手順 (3) 28 ( 入出力仕様例 ) Min Typ Max Condition 入力電圧 (Vac) 90 264 電流 (A) 0.5 周波数 (Hz) 47 50/60 63 無負荷時入力電力 (W) 出力電圧 (V) 11.4 12 12.6 電流 (A) 1.5 0.1 Vin:100Vac/230Vac Ripple 電圧 (mv) 100 20MHz Bandwidth 効率 (%) 80
AC/DC 変換回路設計の設計手順 (5) 29 ( トランス仕様例 ) 1 2 3 4 5 NP1 NP2 ND NS2 NS1 12 11 10 9 8 Barrier tape 2mm NP1 NS1 ND NS2 NP2 4mm 6 7 Insulation tape Core: JFE MB3 EER-28.5A or compatible Bobbin: JFE BER28.5SP12 Vertical/Terminal Pins 6-6(12pins) or compatible AL-Value: 138.9 nh/n 2 Inductance(1-3pin): 0.180 mh±15% Coil Terminal Turns Wire Winding Method NP1 1-2 18 2UEW 0.5 1 Layer FIT( 密 ) NS1 8-12 12 2UEW 0.6 1 Layer FIT( 密 ) ND 5-4 8 2UEW 0.45 1 Layer SPACE( 均等 ) NS2 9-11 12 2UEW 0.6 1 Layer FIT( 密 ) NP2 2-3 18 2UEW 0.5 1 Layer FIT( 密 ) 耐圧 P-S :AC3.0KVrms 1MIN. 2mA or AC3.6KVrms 1S 2mA 巻始め : バリアテープ固定 PS-CORE : AC1.5KVrms 1MIN. 2mA or AC1.8KVrms 1S 2mA 巻終り : 直角引出し挟み込み処理 IR :P-S,PS-CORE 100MΩ MIN. at DC 500V 巻方向 : 統一 3T
AC/DC 変換回路設計の設計手順 (4) 30 (PWM フライバック回路例 ) ACIN_L F1 1.6A/ AC250V LF1 AC90V -264V ACIN_N ZNR1 C3 0.1uF/X2 BR1 800V 1A C1 47uF 400V C8 100pF 1kV R4 120k C2 2200pF D4 200V 0.5A D3 FRD 650V 0.5A R5 5.1 1 3 4 T1 8,9 6,7 D6 FRD 200V 5A C12 1000uF 25V C15 0.1uF 16V Vout 12V 1.5A GND Item Spec Parts name Maker C1 47uF/400V 47uF/400V C2 2200pF/500V 2200pF/1kV C3 0.1uF/X2 0.1uF/X2 C5 10uF/50V 10uF/50V C6 1000pF/16V 1000pF/50V 1608 C7 2200pF/Y1 2200pF/Y1 C8 100pF/1kV 100pF/1kV C10 0.1uF/25V 0.1uF/50V 1608 C12 Low-Z 1000uF/25V Low-Z 1000uF/25V C15 0.1uF/25V 0.1uF/50V 1608 BR1 800V/1A UA80 D3 FRD 650V 0.5A UF4007 D4 200V 0.5A RR264M-400 Rohm D6 FRD 200V 5A RF601T2D Rohm F1 1.6A/AC250V IC1 BM2P014 Rohm LF1 SS11VL-10062 NEC Tokin ZNR1 7D471K R3 0.39Ω /0.5W MCR25JZHFJR390 Rohm R4 120kΩ /1W 120kΩ /1W R5 5.1Ω MCR10EZPJ5R1 Rohm R6 1.2kΩ MCR10EZPJ122 Rohm R7 1kΩ MCR10EZPJ102 Rohm R8 12kΩ MCR10EZPJ123 Rohm R11 2kΩ MCR10EZPJ202 Rohm R12 43kΩ MCR10EZPJ433 Rohm R13 2.7kΩ MCR10EZPJ272 Rohm T1 EI25 YPP1183 Tomita IC2 TL431 PC1 PC817 1 8 Source Drain 7 2 NC Drain R3 0.39 GND 4 5 FB VCC IC1 BM2P014 3 C6 1000pF C5 10uF 50V PC1 PC817 5 C7 2200pF/Y1 4 3 1 2 R6 1.2k R11 2k C10 0.1uF IC2 TL431 R12 43k R13 2.7k R7 1k R8 12k
Efficiency(%) 45mm AC/DC 変換回路設計の設計手順 (6) ( 評価ボード例 ) 31 90mm ( 評価例 ) Vin(V) Pin(W) Vout(V) Iout(A) Pout(W) η (%) 0.033 12.09 0 0-0.179 12.09 0.01 0.121 67.5 90 1.479 12.09 0.1 1.209 81.7 7.174 12.09 0.5 6.043 84.2 14.33 12.09 1 12.09 84.3 21.64 12.08 1.5 18.13 83.8 0.032 12.09 0 0-0.179 12.09 0.01 0.121 67.7 100 1.478 12.09 0.1 1.209 81.8 7.165 12.09 0.5 6.043 84.3 14.30 12.09 1 12.09 84.5 21.51 12.09 1.5 18.13 84.3 0.036 12.09 0 0-0.183 12.09 0.01 0.121 66.1 230 1.497 12.09 0.1 1.209 80.7 7.272 12.09 0.5 6.044 83.1 14.34 12.09 1 12.09 84.3 21.49 12.09 1.5 18.13 84.4 0.045 12.09 0 0-0.190 12.09 0.01 0.121 63.6 264 1.481 12.09 0.1 1.209 81.6 7.240 12.09 0.5 6.044 83.5 14.39 12.09 1 12.09 84.0 21.57 12.09 1.5 18.13 84.1 Efficiency 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Iout(A) 90Vin 100Vin 230Vin 264Vin
AC/DC 変換の基礎アジェンダ 32 1. AC/DC 変換の基本 2. 平滑後の DC/DC 変換 ( 安定化 ) 方式 3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 ( 概要 ) 4. AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項
4. AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項 AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項 (1) 33 1 ディスクリート構成か電源用 ICを使うか 高度なノウハウを持つ場合はディスクリート構成も選択肢 電源用 ICは保護機能など多くのニーズを集積し使い勝手も向上 小型化と信頼性向上の面ではICが優位 2 効率 効率は入力電力に対する出力電力の比 使う方式 部品によって効率は異なる 規制や認証に対応するためには重要な項目 サイズと効率は基本的にトレードオフの関係がある ハードスイッチングの場合 効率とノイズはトレードオフの関係がある DC/DCに比べAC/DCの効率は少し厄介で改善の余地も大きい
AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項 (2) 34 3 4 5 小型化 - 部品数 部品サイズ スイッチング方式が小型化に寄与 制御 IC が保護機能などを集積しており部品数とスペースを削減 トランスなど個別部品も小型化を進めている 保護機能 入力電圧の過大 / 過小 出力過負荷など対する保護が安全面で必須 ディスクリート構成での実現には多くの部品が必要 制御 IC がほとんどの保護機能を集積しておりメリット大 認証 規制など 効率 / 待機電力 安全性 ノイズなどの認証 規制がある 国によって異なる AC アダプタの例 :PSE( 日本 ) CE(EU) UL( 米国 ) CSA( カナダ ) EN(EU) など 事前に必要なものを検討し対応を準備する
AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項 (3) 35 ( ノイズと効率のトレードオフ ) ターン OFF 時の発生ノイズ L i ターン OFF 時のスイッチング損失 Vn Ip Vds VIN SW R Vds Ip SW on off R; 小 スピードアップ R; 大 スピードダウン Ip Ip Vn VIN Vds Vds Vn= - L di dt 損失 ; 小 ノイズ ; 大 (di/dt; 大 ) 損失 ; 大 ノイズ ; 小 (di/dt; 小 )
AC/DC 変換の基礎 36 1. AC/DC 変換の基本 1 トランス方式 2 スイッチング方式 3 トランス方式とスイッチング方式の比較 3. AC/DC 変換回路設計の設計手順 1 要求仕様固め 2 制御 ( 電源 )ICの選択 3 設計 周辺部品選定 4 評価 試作 5 量産設計 評価 出荷検査 2. 平滑後の DC/DC 変換方式 1 リニアレギュレータ 2 フライバック 3 フォワード 4 ダイオード整流 4. AC/DC 変換回路設計の課題と検討事項 1 ディスクリート構成か電源用 ICを使うか 2 効率 3 小型化 - 部品数 部品サイズ 4 保護機能 5 認証 規制など
AC/DC 変換の基礎 37 第 1 回 AC/DC 変換の基礎 ご清聴 ありがとうございました