「電源回路の設計法」についてご紹介｜「電子工作/修理/メンテナンス」

ご訪問ありがとうございます。

今回は、「電源回路の設計法」についてご紹介します。

「電子工作/修理/メンテナンス」関連サイトをご紹介します。

今回紹介する電源回路は、交流100Vを直流1.5V〜15Vに変換する装置です。私たちが実験や工作で使う電源は、比較的小容量で小型の物ですが、電子回路にとっては全てのエネルギーを電源から供給してもらっていることになります。したがって電源の良し悪しが、そのまま動作の安定性や精度の良し悪しを左右することになるので重要な要素です。

私たちの電子工作で必要とされる電源は、通常は直流の1.5Vから15V程度の電圧で、数mAから数100mA程度の電流を必要とします。特に高密度、高速の回路を含むボードは、単体でも数Aを必要とするものもありますが、特殊な用途となります。

この電源の供給元は、通常の環境であれば、商用のAC100V~200Vかリチウムイオン電池などのバッテリとなります。これらの入力源から直流の1.5Vから15Vを生成するために必要な回路が電源回路ということになります。

商用電源AC100VやAC200Vから直流の1.5V~15Vを生成するには、一昔前は、大型の電源トランスを使って商用電源から直接降圧して数Vの交流電圧としていましたが、50Hzか60Hzと周波数が低いためトランスが大型となり、効率も悪いため発熱するという問題がありました。

これに対し、最近では多くの場合、市販のスイッチング電源ユニットか、スイッチング方式のACアダプターを使用します。独立したユニットとして装置内部に組み込むか、ACアダプターとして外付けします。

スイッチング電源の内部構成は、下図（スイッチング電源の内部構成）のような構成になっています。まず商用AC100VやAC200Vをいったん整流平滑して高い電圧の直流に変換します。

これをスイッチング制御部で数10kHz~数100kHzの高い周波数の交流に変換します。この変換後の交流をトランスで降圧して低い電圧に変換します。この交流の周波数が高いことで変換効率もよくなるため小型のトランスとすることができ、小型化が可能になります。

この降圧した交流を整流しレギュレータ回路で安定化して必要な直流電圧を生成します。さらにこの出力電圧の変動をスイッチング制御部にフィードバックし、パルス幅変調(PWM)制御により制御して一定の出力電圧になるように制御しています。

電源装置は、ユニット(完成品)ACアダプタのほかに、キットも市販されています。また、自作することもできます。

下記市販のスイッチングレギュレータユニットとスイッチング方式のACアダプタの例です。

商用電源のような高圧の交流電源ではなく、ACアダプタやバッテリのような比較的低い直流電源から、必要な直流の1.5V~15Vを生成するには、「3端子レギュレータ」による方法と「DC/DCコンバータ」による方法の2種類が多く使われています。

いずれもボード上に必要な回路が組み込まれるのが一般的であるためオンボード電源とも呼ばれています。それぞれの代表的な回路の設計方法について説明します。

正電圧を出力する3端子レギュレータの実用的な回路は下記（3端子レギュレータの標準回路）のようにするのが標準的な回路です。図の例はDC5Vで最大200mA程度の出力を得られるものです。

入力にあるコンデンサC1は、高い周波数を通し、直流は通さないという働きを使って、外部からの高周波のノイズや変動を吸収して抑制します。

さらに電気を蓄えるコンデンサの性質を使って、急激に出力負荷が増えて入力源からの供給が間に合わないような場合に、このコンデンサに蓄えた電気から一時供給して安定な出力を保つようにしてクッションの働きをします。

出力側のコンデンサC2は、高い周波数成分をコンデンサで吸収して少なくすることで、3端子レギュレータの動作を安定化する働きをします。これで、入力の7V~12V程度の直流から、安定な5Vを供給できます。

ダイオードD1の働きは、通常動作中は入力側の電圧の方が高いですから、ダイオードは何の働きもしません。しかし入力電源をオフにしたとき、出力側にたくさんコンデンサが接続されているため、そこに残っている電気によって入力より出力電圧の方が一時的に高くなり、3端子レギュレータに逆方向に電流が流れて壊れてしまうことがあります。

D1はこの現象から3端子レギュレータを保護するために、逆方向の電気をバイパスして3端子レギュレータには流れないようにする働きをします。

3端子レギュレータの実装方法は、トランジスタと全く同じように扱うことで問題ありません。しかし特に熱設計では、入出力間電位差と出力電流に関係して変わりますので注意して設計する必要があります。

つまりレギュレータ本体で消費する電力により制限を受けるわけで、この関係は下記（3可変型レギュレータの出力電流）で表されます。

例えば3.3V出力のTA48033Fの場合、図のように放熱対策なしの単体で25°Cのときは1Wが最大許容電力ですから、5V入力のときは588mAまで流すことが可能ですが、9V入力にすると175mAが限界となってしまいます。

放熱対策なしでは1Wが最大5V入力とすると1W ÷ (5V-3.3V) = 588mAが流せる最大値となります。

9V入力では、1W÷(9V-3.3V)=175mAが流せる最大値となる。

下記の写真のように、放熱器をつけて使用するとよいでしょう。

3端子レギュレータの実際の実装方法では、最近はフラットパッケージタイプが多くなりましたので、下図（端子レギュレータの実装例）のように、プリントパターンに直接フィンをはんだ付けして使います。

この場合フィンはグランド端子と接続されていますので、グランドパターンにフィンをはんだづけします。このパターンを介して基板そのものが放熱器となりますので、それだけ最大許容電力が大きくできます。

TO-220タイプのタブつきの3端子レギュレータを使う場合には、トランジスタと同じように放熱器を付けて使うことが多くなります。このような実装例を下図（TO-220タイプの実装例）に示します。

入力より低い電圧の出力を生成するDC/DCコンバータで、最近になって多くのLSIが低い電圧を要求するようになったため、よく使われるようになりました。

負荷電流が少ない場合には1個のICで構成できてしまう場合もありますし、数Aという大電流を流せる構成とする場合にはMOSFETを外付けにして構成したりします。

下図（ステップダウンのDC/DCコンバータ例）はワンチップICで構成した比較的小容量のステップダウンコンバータの回路例です。

ICのLx（9）の出力ピンがPWM出力となっていて、コイルL2とコンデンサC10によるローパスフィルタ後の電圧をフィードバックとしてVout1（6）に入力してIC内部でPWMのデューティを制御して出力電圧が一定になるようにしています。

入力より高い電圧を生成するDC/DCコンバータで、バッテリなどからより高い電圧を生成するのに使われます。こちらも負荷電流に応じて各種の構成がありますが、下記（ステップアップのDC/DCコンバータ例）は比較的簡単な構成の回路例です。

外付けのMOSFETを制御用に使い、これのスイッチング制御を専用のICで行っています。MOSFETでスイッチングされたパルスが、コイルL1の両端に高い電圧を発生させます。これをショットキーダイオードD1で整流し、その出力電圧をR2とR3で分圧してフィードバックし、MOSFETのPWM制御を行って一定の出力電圧となるよう制御しています。

負荷電流が少なくてよい場合には、コンデンサをうまく使ったチャージポンプ方式のワンチップICでDC/DCコンバータが構成できます。チャージポンプ方式ではコイルがなく、コンデンサだけで構成されます。したがって比較的簡単な回路で構成できます。

実際に使用した例は下記（チャージポンプDC/DCコンバータICの使用例）のようになります。

• (a)はMCP1253の使用例で電池から5V電源を生成するために使っています。
• (b)はTC7662Bの使用例で、出力オペアンプ用にマイナスの電源を生成するためチャージポンプICを使った例です。これでアンプ出力が0ボルトまで出せるようになります。

「電子工作/修理/メンテナンス」関連サイトをご紹介します。

「電子工作/修理/メンテナンス」関連サイトをご紹介します。

ゲームメーカー別ランキングの関連サイトをご紹介します。

【ゲームメーカー別ランキング】関連ページをご紹介します。

ゲーム・ランキングの関連サイトをご紹介します。

【ゲームランキング】サイト関連ページをご紹介します。

ゲームTOPのサイトマップをご紹介します。

ゲーム関連ページをご紹介します。

コペンギンのサイトマップをご紹介します。

コペンギン関連ページをご紹介します。