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2011年1月28日 (金)

シリーズ電源設計を考える2

シリーズ電源設計について
今回は前回のシリーズ電源設計に足りなかった損失分散方法についてもうすこし考えてみます。
ハード的にはPdavr_2
 右図は12V入力で5V出力、負荷電流が 300mAの例です。一番上は通常の設計ですが、入力電圧が12Vの場合、ICには 12V-5V=7Vの電位差が生じてしまいます。これによって 300mAの電流時には 7vx0.3A =2.1W の損失となり、負荷の損失よりも大きな電力が熱となって出てしまいます。放熱の方法によってはICの定格を越えてしまいますし、基板に放熱するにしても数十度の温度上昇になってしまいます。
 そこで簡易的な解決方法として入力にシリーズに抵抗を入れます。ここでは 12Ω5Wの抵抗ですが、300mA時には 12Ωx0.3A =3.6V の電圧降下がおきます。それによってICの入力電圧は 8.4Vとなり、ICでの熱損失は抵抗とICに分散されます。この方法は消費電力が少ない場合に有効で、この条件でも抵抗に 3.6Vx 0.3A =1.1W程度の熱が出ますので余裕を見て 5W程度の耐圧の抵抗が必要になります。
 次の例は 8Vの定電圧ICをシリーズにして同じように熱を分散する方法です。高価なICが増えてしまいますが、8V程度の電源が必要な場合や入力にノイズが乗っていて5V電源をアナログ回路の近くに持って行きたい場合、5V電源をデジタル・アナログ用に2つのICを使いたい場合(このときは8Vでなく10〜9V電源にしてICの電圧降下を減らして電流が増えるのに対応する)などの場合有効です。
 最後の例は DC/DCコンバーターを使う例です。シリーズ電源の雑音・リップル除去効果は使いたいが、元の電源電圧が高すぎる場合などは前段にDC/DCコンバーターを使うと有効です。DC/DCコンバーターは定格電流に近い付近が効率が良いので、ICの入力電圧と使用電流に合った定格のものを選びます。
 DC/DCコンバーターは効率という点で損失を考えます。300mA流した時の効率が 80% ならば、残りの20%が損失になります。よって 8V x 0.3A x 20% = 0.48W となり、損失的にはいちばん少なくなります。最近ではオンボードで小型な DC/DCコンバーターが出ていますので、価格・納期的な問題はありますが、電源設計には有用ですね。
ソフト的には
DC/DCコンバーターの問題点はやはり出力ノイズでしょう。最近では 100KHz〜 500KHz付近のスイッチングだけでなく、1MHz以上のスイッチング周波数の機種や、デジタル制御のスイッチングレギュレターも出ていますので、特に低い周波数から増幅するアンプには注意が必要です。パワー段ではあまり問題になりませんが、入力ドライバ段などは積極的にシリーズ電源を有効な場所に使って電源を切り分ける必要があります。


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