スイッチング電源
スタンドアロンスイッチング電源
実験室用の調整可能なスイッチング電源

スイッチングモード電源( SMPS ) は、スイッチングモード電源、スイッチモード電源、スイッチド電源、または単にスイッチャーとも呼ばれ、電力を効率的に変換するスイッチングレギュレータを組み込んだ電子電源です。

他の電源装置と同様に、SMPS は DC または AC 電源 (多くの場合は主電源、AC アダプタを参照) からパソコンなどの DC 負荷に電圧と電流の特性を変換しながら電力を転送します。リニア電源装置とは異なり、スイッチングモード電源のパストランジスタ[ a ]は、低消費電力、完全オン、完全オフの状態間を継続的に切り替わり、高消費電力遷移に費やす時間は非常に短いため、エネルギーの無駄が最小限に抑えられます。電圧調整は、オンとオフの時間の比率 (デューティ サイクルとも呼ばれる) を変更することによって実現されます。対照的に、リニア電源は、パス トランジスタで継続的に電力を消費することによって出力電圧を調整します。スイッチングモード電源の高い電気効率は重要な利点です。

スイッチング電源は、トランスがはるかに小型化できるため、リニア電源よりも大幅に小型・軽量化できます。これは、リニア電源のトランスが50Hzまたは60Hzの主電源周波数を使用するのに対し、スイッチング電源は数百kHzから数MHzという高いスイッチング周波数で動作するためです。トランスのサイズは小型化されていますが、商用設計における電源トポロジと電磁両立性要件により、通常は部品数が大幅に増加し、それに応じて回路が複雑になります。

スイッチングレギュレータは、高効率、小型化、軽量化が求められる場合に、リニアレギュレータの代替として使用されます。しかし、スイッチングレギュレータはより複雑であり、スイッチング電流を適切に抑制しないと電気ノイズの問題が発生する可能性があり、また、単純な設計では力率が低下する可能性があります。

歴史

1836
誘導コイルはスイッチを使用して高電圧を生成します。
1910
チャールズ・F・ケタリングと彼の会社デイトン・エンジニアリング・ラボラトリーズ・カンパニー（デルコ）が発明した誘導放電点火システムが、キャデラック向けに生産開始された。[ 1 ]ケタリング点火システムは、フライバック昇圧コンバータの機械式スイッチ版であり、トランスは点火コイルである。この点火システムの様々なバリエーションは、1960年代までディーゼル以外のすべての内燃機関で使用されていたが、1960年代にまずソリッドステート式電子スイッチ式に、そして容量放電式点火システムに置き換えられていった。
1926
6月23日、イギリスの発明家フィリップ・レイ・コーシーは、自国とアメリカ合衆国において「電気コンデンサー」の特許を申請した。[ 2 ] [ 3 ]この特許には、高周波溶接[ 4 ]や炉などの用途が記載されている。[ 3 ]
1932年頃
電気機械式リレーは、発電機の電圧出力を安定化するために使用されます。電圧レギュレータ § 電気機械式レギュレータを参照してください。[ 5 ] [ 6 ]
1936年頃
カーラジオでは、6Vのバッテリー電源を真空管に適したプレート電圧に変換するために電気機械式振動子が使用されていました。 [ 7 ]
1959
トランジスタ発振および整流コンバータ電源システムの米国特許3,040,271は、ゼネラルモーターズ社のジョセフ・E・マーフィーとフランシス・J・スターゼックによって出願されました。[ 8 ]
1960年代
アポロ誘導コンピュータは、1960年代初頭にMIT計測研究所によってNASAの月面ミッション（1966-1972年）のために開発され、初期のスイッチングモード電源を組み込んでいました。[ 9 ]
1967年頃
フェアチャイルド・セミコンダクターのボブ・ワイドラーは、μA723 IC電圧レギュレータを設計しました。その用途の一つは、スイッチングモードレギュレータです。[ 10 ]
1970
テクトロニクスは、1970年から1995年にかけて製造された7000シリーズのオシロスコープに高効率電源を採用し始めました。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
1970
ロバート・ボシェルトは、よりシンプルで低コストなスイッチング電源回路を開発しました。1977年までに、ボシェルト社は従業員650名を抱える企業に成長しました。[ 15 ] [ 16 ]一連の合併、買収、スピンオフ（コンピュータ・プロダクツ、ザイテック、アーティシン、エマソン・エレクトリック）を経て、現在はアドバンスト・エナジーの傘下にあります。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
1972
ヒューレット・パッカード社の最初のポケット電卓であるHP-35は、発光ダイオード、クロック、タイミング、ROM 、レジスタ用のトランジスタスイッチング電源を搭載して導入されました。[ 20 ]
1973
ゼロックスはAltoミニコンピュータにスイッチング電源を使用しています。[ 21 ]
1976
シリコン・ジェネラル・セミコンダクターズの共同創設者であるロバート・マンマノは、SMPS制御用の最初の集積回路モデルSG1524を開発しました。[ 15 ]一連の合併と買収（リンフィニティ、シンメトリコム、マイクロセミ）の後、同社は現在マイクロチップ・テクノロジーの一部となっています。[ 22 ]
1977
Apple IIはスイッチング電源を採用して設計されている。[ 23 ]
1980
HP8662A 10kHz～1.28GHz合成信号発生器はスイッチング電源を使用して設計されました。[ 24 ]

説明

リニア電源（SMPSではない）は、リニアレギュレータを用いて、抵抗損失（例えば、抵抗器、またはアクティブモードのパストランジスタのコレクタ-エミッタ領域）で電力を消費することで、所望の出力電圧を提供します。リニアレギュレータは、電力を熱として消費することで出力電圧または電流を制御します。そのため、入力と出力の電圧差が無駄になるため、最大電力効率は出力電圧を入力電圧で割った値になります。

対照的に、SMPSは、インダクタやコンデンサなどの理想的には損失のない蓄電素子を異なる電気的構成間でスイッチングすることで、出力電圧と電流を変化させます。理想的なスイッチング素子（アクティブモード以外で動作するトランジスタで近似）は、オンのときは抵抗がなく、オフのときは電流を流さないため、理想的な部品を使用したコンバータは100%の効率で動作します（つまり、入力電力はすべて負荷に供給され、熱として無駄に電力が消費されることはありません）。実際には、これらの理想的な部品は存在しないため、スイッチング電源は100%の効率を実現することはできませんが、それでもリニアレギュレータよりも大幅に効率が向上します。

昇圧コンバータの基本回路図

SMPS設計では、様々なスイッチング構成が用いられます。昇圧コンバータは、DC信号用の昇圧トランスのように動作します。昇降圧コンバータも同様の動作をしますが、入力電圧とは極性が逆の出力電圧を生成します。また、電圧を下げて平均出力電流を昇圧する降圧回路も存在します。

メリットとデメリット

スイッチング電源の主な利点は、効率が高く（最大約98～99％[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]）、スイッチングトランジスタがスイッチとして動作しているときに電力をほとんど消費しないため、リニアレギュレータよりも発熱が少ないことです。

その他の利点としては、重くて高価な商用周波数変圧器が不要になることで、小型化と軽量化が実現します。これらの変圧器が不要になることで、待機電力損失も削減されることが多いです。

デメリットとしては、複雑さが増すこと、電磁干渉(EMI) を避けるためにローパス フィルタでブロックする必要がある高振幅、高周波エネルギーが生成される点、スイッチング周波数とその高調波周波数でのリップル電圧などが挙げられます。

非常に安価なSMPSは、電気的なスイッチングノイズを主電源ラインに逆結合させ、オーディオ機器など、同じAC回路に接続された機器に干渉を引き起こす可能性があります。また、力率補正機能のないSMPSは、高調波歪みも引き起こします。

リニア電源との比較

安定化電源には、主にSMPSとリニアの2種類があります。以下の表は、リニア電源とスイッチング電源の一般的な比較です。

リニア電源とスイッチング電源の比較
メトリック リニア電源 スイッチング電源 注記
サイズと重量 0.12 W/cm 3、88 W/kg [ 28 ]スイッチング周波数20kHzで動作するSMPSはサイズが4分の1です。100～200kHzで動作するSMPSはサイズが8分の1です。200kHz～1MHzタイプはさらに小型化できます。[ 28 ] : 5～8 ヒステリシス損失を抑えることができれば、一定のサイズと重量の変圧器の電力容量は周波数に応じて増加します。したがって、動作周波数が高いほど、変圧器の容量は増加するか、変圧器の小型化が必要になります。
出力電圧 トランスを使用すれば、任意の電圧を実現できます。トランスレスの場合、電圧は倍電圧器で達成できる電圧に制限されます。 利用可能な電圧は任意ですが、多くの回路ではトランジスタのブレークダウン電圧によってのみ制限されます。電圧は負荷によってほとんど変化しません。 SMPS は通常、出力電圧が変化する前の入力のより広い変動に対応できます。
入力電圧 電圧範囲は、高入力電圧時のレギュレータの許容電力消費と、低入力電圧時のトランスの巻数比によって制限されます。 90V～250Vの主電源電圧で動作する ユニバーサル入力またはワイド入力SMPSが一般的です。より特殊な設計では、さらに広い入力電圧範囲に対応できます。SMPS は通常、出力電圧が変化する前の入力のより広い変動に対応できます。
効率、熱、電力消費出力電圧は余分な電力を熱として放散することによって調整され、その結果、典型的な効率は30～40％になります。[ 29 ]効率は70～85％ですが、90％に達することもあります。[ 30 ]これらを組み合わせて、SMPS の後に配置されたリニア レギュレータとの複合レギュレータを形成することで、60 ～ 65% の効率を実現できます。
複雑 線形電圧調整回路と通常はノイズフィルタリングコンデンサ。通常、スイッチングモード回路よりも 回路が単純で、フィードバック ループの安定性基準も単純です。コントローラIC、1個または複数のパワートランジスタとダイオード、電源トランス、インダクタ、フィルタコンデンサで構成されます。1つのトランスコアで複数の電圧を生成できますが、設計と使用が複雑になる可能性があります。[ b ]リニアレギュレータ回路には見られない設計上の複雑さが存在します。ノイズと干渉、高速スイッチング時のトランジスタの最大定格に対する追加の制限、プリント基板トレースの浮遊インダクタンスと容量が重要になります。 どちらも、トランスフォーマーを慎重に選択する必要があります。
無線周波数干渉交流整流ダイオードは、大電流負荷時に軽度の高周波干渉を引き起こす可能性があります。また、一部の電源はシールドされていないケーブルにハムノイズを誘導するため、低レベルのオーディオ信号には問題となることがあります。EMI/RFIは、電流の急激なオン/オフによって発生します。そのため、妨害的な干渉を低減するには、 EMIフィルターとRFシールドが必要です。コンポーネント間の配線が長いと、入口と出口のコンデンサによって提供される高周波フィルタの効率が低下する可能性があります。
出力端子における電子ノイズリニア レギュレータは一般に、AC ライン リップルの除去に優れており、スイッチング モード コンバータよりもノイズが低くなります。SMPSのスイッチング周波数によりノイズが増加します。フィルタリングされていない出力は、デジタル回路にグリッチやオーディオ回路にノイズを引き起こす可能性があります。これは、出力段のコンデンサやその他のフィルタリング回路によって抑制できます。スイッチングモード電源では、スイッチング周波数を選択することで、システムの動作周波数帯域（例えばオーディオシステムなど）からノイズを遮断し、人間の可聴範囲を超えるノイズの発生を抑えることができます。
入力端子の電子ノイズ入力 AC に高調波歪みが生じますが、高周波ノイズは比較的少ないかまったくありません。非常に安価なSMPSは、スイッチングノイズを主電源ラインに逆結合させ、同じ回路に接続されたAV機器に干渉を引き起こす可能性があります。また、力率改善機能のないSMPSは高調波歪みも引き起こします。スイッチノイズはEMI/RFIフィルターによって抑制できます。
音響ノイズ通常は聞こえないかすかな主電源ハム音。通常は変圧器の巻線の振動または磁気歪みによって発生します。通常、ファンが付いているか故障しているか、または可聴範囲内のスイッチング周波数を使用しているか、またはコイルの積層体が動作周波数の低調波で振動していない限り、ほとんどの人には聞こえません。負荷がかかっていない SMPS の動作周波数は、人間の可聴範囲内にある場合があり、関連する周波数範囲に対して聴覚が非常に敏感な人にとっては、主観的にかなり大きく聞こえることがあります。
力率チョーク入力または抵抗入力回路が整流器の後に続かない限り (現在ではまれ)、電圧正弦波のピーク時に主電源から電流が引き出されるため低くなります。補正なしでは0.5～0.6程度。[ 28 ] : 168 受動的な補正では0.7～0.75、能動的な補正では0.99を超えることもある。[ 31 ]SMPSにおける能動型または受動型の力率改善回路はこの問題を解消することができ、特にEUでは一部の電力規制当局によって義務付けられています。リニア電源における低電力トランスの内部抵抗は、通常、各サイクルのピーク電流を制限するため、直列抵抗をほとんど使わずに主電源を直接整流する多くのスイッチング電源よりも優れた力率が得られます。
突入電流主電源リニア電源装置の電源投入時に、変圧器の磁束が安定し、コンデンサが完全に充電されるまで大電流が流れます。非常に大きなピークサージ電流は、入力電源のインピーダンスとフィルタ コンデンサへの直列抵抗によってのみ制限されます。空のフィルタコンデンサは、充電時に大量の電流を消費します。特にコンデンサ容量が大きいほど、ピーク電流も大きくなります。この電流は通常の動作電流の何倍にも達するため、サージを受ける部品に大きな負担がかかり、不要なヒューズの溶断を防ぐためのヒューズ選定が複雑になり、無停電電源装置（UPS）などの過電流保護機能を備えた機器では問題が発生する可能性があります。適切なスロースタート回路または直列抵抗を使用することで、この問題を軽減できます。
感電の危険トランス付き電源は、入力電源を受電機器から分離するため、筐体の金属部分を安全に接地できます。一次／二次絶縁が破損すると危険ですが、合理的な設計であればその可能性は低いでしょう。トランスレスの主電源駆動型電源は絶縁されていないため、露出すると危険です。リニアモードとスイッチングモードの両方において、主電源、そして場合によっては出力電圧も危険なため、十分に絶縁する必要があります。機器の共通レール（筐体を含む）は、機器がアースされているか、入力端子に EMI/RFI フィルタリングが含まれていない限り、主電源電圧の半分まで通電されますが、高インピーダンスになります。EMI/RFI放射に関する規制のため、多くのSMPSはブリッジ整流器の前にコンデンサとインダクタで構成される入力段にEMI/RFIフィルタを備えています。2つのコンデンサがライブレールとニュートラルレールに直列に接続され、アース接続は2つのコンデンサの間にあります。これは容量分割器を形成し、コモンレールに主電源電圧の半分の電圧を供給します。その高インピーダンス電流源は、操作者にチクチクする感覚や「噛み付くような」感覚を与えたり、地絡LEDを点灯させるために利用されたりする可能性があります。しかし、この電流は、最も敏感な残留電流デバイスで迷惑なトリップを引き起こす可能性があります。接地ピンのない電源（USB充電器など）では、一次側と二次側の間にEMI/RFIコンデンサが配置されています。[ 32 ]また、非常に軽いチクチクする感覚を与えることもありますが、ユーザーにとって安全です。[ 33 ]
機器損傷のリスク一次巻線と二次巻線の間で短絡が発生するか、レギュレータが内部短絡によって故障しない限り、非常に低くなります。故障により出力電圧が非常に高くなる可能性があります。コンデンサへのストレスにより爆発する可能性があります。浮遊電圧がトランジスタのベース・エミッタ間ブレークダウン電圧を超えると、アンプの入力段が破壊される可能性があり、トランジスタのゲインが低下し、ノイズレベルが上昇します。[ 34 ]適切なフェイルセーフ設計によって軽減されます。SMPS自体のコンポーネントの故障は、他のPSUコンポーネントにさらなる損傷を引き起こす可能性があり、トラブルシューティングが困難になる場合があります。浮遊電圧は、電源の一次側と二次側をブリッジするコンデンサによって発生します。アースされた機器に接続すると、コンデンサの二次側の電圧がアース電位と等しくなるため、コネクタに瞬間的な（そして場合によっては破壊的な）電流スパイクが発生します。

動作原理

ATXスイッチング電源の内部図：A：ブリッジ整流器、B：入力フィルタコンデンサ、BとCの間：一次電圧のアクティブデバイスをスイッチングするためのヒートシンク、 C：トランス、CとDの間：ATX仕様に基づき、少なくとも5種類の二次電圧のアクティブデバイスをスイッチングするためのヒートシンク、D：最大定格電力の二次側用の出力フィルタコイル。そのすぐ近くに、他の二次側用のフィルタコイル、E：出力フィルタコンデンサ。   ブリッジ整流器の下にあるコイルと大きな長方形の黄色のコンデンサはEMIフィルタを形成し、メイン回路基板の一部ではありません。
出力電圧調整機能を備えた主電源駆動型AC/DC SMPSのブロック図

入力整流段

AC、半波整流、全波整流信号

SMPS に AC 入力がある場合、最初の段階は入力を DC に変換することです。これは「整流」と呼ばれます。DC 入力の SMPS ではこの段階は必要ありません。一部の電源装置 (主にコンピューターの ATX 電源装置) では、手動または自動で操作されるスイッチを追加することで、整流回路を電圧ダブラーとして構成できます。この機能により、通常 115 VAC または 230 VAC の電源での動作が可能になります。整流器は、調整されていない DC 電圧を生成し、それが大きなフィルタ コンデンサに送られます。この整流回路によって主電源から引き出される電流は、AC 電圧のピーク付近で短いパルスとして発生します。これらのパルスには、力率を低下させる大きな高周波エネルギーがあります。これを修正するために、多くの新しい SMPS では、特別な力率修正(PFC) 回路を使用して入力電流を AC 入力電圧の正弦波形状に追従させ、力率を修正します。アクティブ PFCを使用する電源装置は通常、自動範囲設定で、入力電圧セレクター スイッチなしで 約 100 VAC ～ 250 VACの入力電圧をサポートします。

AC 入力用に設計された SMPS は通常、DC 電源から動作させることができます。これは、DC が整流器をそのまま通過するためです。[ 35 ]電源が115 VAC用に設計されていて、電圧セレクタスイッチがない場合は、必要な DC 電圧は163 VDC (115 × √2) になります。ただし、このタイプの使用方法では、整流器内のダイオードの半分しか全負荷に対して使用されないため、整流段に悪影響を与える可能性があります。その結果、これらのコンポーネントが過熱し、早期に故障する可能性があります。一方、電源にDelon 回路に基づいた 115/230 V 用の電圧セレクタスイッチがある場合 (コンピューターの ATX 電源は通常このカテゴリに入ります)、セレクタスイッチを230 V の位置にすると、必要な電圧は325 VDC (230 × √2) になります。このタイプの電源に使用されているダイオードは、115Vモードで動作する場合、電圧倍増器の動作により、公称入力電流の2倍を処理できるため、DC電流を問題なく処理できます。これは、電圧倍増器の動作時にブリッジ整流器の半分の電流しか使用せず、2倍の電流を流すためです。[ 36 ]

インバータ段

このセクションでは、図の「chopper」とマークされたブロックについて説明します。

インバータ段は、入力から直接供給される直流電流、または前述の整流段から供給される直流電流を、数十～数百キロヘルツの周波数で電力発振器に通すことで交流電流に変換します。この電力発振器の出力トランスは非常に小型で巻線数も少なく、通常は20kHz以上が選択され、人間の耳には聞こえません。スイッチングは、高ゲインを実現するために多段MOSFET増幅器として実装されています。MOSFETは、オン抵抗が低く、電流処理能力の高い トランジスタの一種です。

電圧変換器および出力整流器

主電源では通常、出力を入力から絶縁する必要がありますが、その場合、反転交流電圧は高周波トランスの一次巻線を駆動するために使用されます。これにより、二次巻線に必要な出力レベルまで電圧を昇圧または降圧します。ブロック図の出力トランスがこの役割を果たします。

DC出力が必要な場合、トランスからのAC出力は整流されます。10ボルト程度以上の出力電圧では、一般的なシリコンダイオードが一般的に使用されます。それより低い電圧の場合、整流素子としてショットキーダイオードが一般的に使用されます。ショットキーダイオードは、シリコンダイオードよりも回復時間が速く（高周波数で低損失動作が可能）、導通時の電圧降下が小さいという利点があります。さらに低い出力電圧の場合は、同期整流器としてMOSFETが使用されます。ショットキーダイオードと比較して、導通時の電圧降下がさらに小さいためです。

整流された出力は、インダクタとコンデンサで構成されるフィルタによって平滑化されます。スイッチング周波数が高いほど、より低い容量とインダクタンスを持つ部品が必要になります。

より単純な非絶縁型電源には、変圧器の代わりにインダクタが使用されています。このタイプには、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、および昇降圧コンバータが含まれます。これらは、1 つのインダクタと 1 つのアクティブ スイッチを使用する、最も単純な単入力単出力コンバータのクラスに属します。降圧コンバータは、デューティ サイクルと呼ばれる、導通時間と全スイッチング周期の比に正比例して入力電圧を低下させます。たとえば、10 V 入力で 50% のデューティ サイクルで動作する理想的な降圧コンバータは、平均出力電圧 5 V を生成します。フィードバック制御ループは、デューティ サイクルを変化させて入力電圧の変動を補正することで出力電圧を調整するために採用されています。昇圧コンバータの出力電圧は常に入力電圧よりも高く、昇降圧コンバータの出力電圧は反転しますが、入力電圧の大きさよりも大きく、等しく、または小さくなる可能性があります。このクラスのコンバータには多くのバリエーションと拡張がありますが、これら 3 つがほぼすべての絶縁型および非絶縁型 DC/DC コンバータの基礎となっています。 2 番目のインダクタを追加することで、ĆukコンバータとSEPICコンバータを実装できます。また、アクティブ スイッチを追加することで、さまざまなブリッジ コンバータを実現できます。

他のタイプのSMPSは、インダクタやトランスの代わりに、コンデンサ-ダイオード電圧倍増器を使用します。これらは主に、低電流で高電圧を生成するために使用されます（コッククロフト・ウォルトン発電機）。低電圧版はチャージポンプと呼ばれます。

規制

携帯電話などの小型デバイス用のこの充電器は、ヨーロッパのプラグを備えたオフラインスイッチング電源で、主にフォトカプラ、整流器、および 2 つのアクティブデバイスで構成されています。

フィードバック回路は出力電圧を監視し、基準電圧と比較します。設計や安全要件に応じて、コントローラにはDC出力から絶縁するための絶縁機構（フォトカプラなど）が組み込まれている場合があります。コンピュータ、テレビ、ビデオデッキなどのスイッチング電源には、出力電圧を厳密に制御するためにこれらのフォトカプラが搭載されています。

オープンループレギュレータにはフィードバック回路がありません。代わりに、トランスまたはインダクタの入力に一定の電圧を供給し、出力が正しいと仮定します。レギュレータ設計では、トランスまたはコイルのインピーダンスが補正されます。モノポーラ設計では、コアの 磁気ヒステリシスも補正されます。

フィードバック回路は電力を生成する前に動作するための電力を必要とするため、スタンバイ用の非スイッチング電源が追加されます。

変圧器の設計

AC電力線から電力を得るスイッチング電源（「オフライン」コンバータと呼ばれる[ 37 ] ）は、ガルバニック絶縁のためにトランスを必要とする。一部のDC-DCコンバータにもトランスが含まれていることがあるが、これらの場合、絶縁はそれほど重要ではない。スイッチング電源トランスは高周波で動作する。オフライン電源におけるコスト削減（および省スペース化）の大部分は、従来使用されていた50/60Hzトランスに比べて高周波トランスが小型であることによる。設計上のトレードオフは他にも存在する。[ 38 ]

トランスの端子電圧は、コア面積、磁束、および周波数の積に比例します。より高い周波数を使用することで、コア面積（およびコアの質量）を大幅に低減できます。しかし、高周波数ではコア損失が増加します。コアには一般的に、高周波数および高磁束密度において損失が低いフェライト材料が用いられます。低周波数（400Hz未満）のトランスの積層鉄心は、数キロヘルツのスイッチング周波数では許容できないほど損失が大きくなります。また、高周波数ではスイッチング半導体の遷移時に失われるエネルギーも大きくなります。さらに、寄生成分が大きくなり、電磁干渉もより顕著になるため、回路基板の物理的なレイアウトにはより注意を払う必要があります。

銅の損失

低周波数（50Hzまたは60Hzのライン周波数など）では、設計者は通常、表皮効果を無視できます。これらの周波数では、表皮効果は導体の直径が0.3インチ（7.6mm）を超える場合にのみ顕著になります。

スイッチング電源では、表皮効果が電力損失の原因となるため、より一層の注意を払う必要があります。500kHzでは、銅の表皮厚さは約0.003インチ（0.076mm）で、電源で使用される一般的な電線よりも小さい寸法です。電流は導体の表面付近に集中し、内部の電流は低周波時よりも少なくなるため、導体の実効抵抗が増加します。

表皮効果は、高速パルス幅変調（PWM）スイッチング波形に含まれる高調波によって悪化します。適切な表皮深さは、基本波における深さだけでなく、高調波における表皮深さも考慮する必要があります。[ 39 ]

表皮効果に加えて、近接効果もあり、これも電力損失の別の原因となります。

力率

シンプルなオフライン・スイッチング電源は、大容量のエネルギー蓄積コンデンサに接続されたシンプルな全波整流器を内蔵しています。このようなスイッチング電源は、主電源の瞬時電圧がこのコンデンサの両端電圧を超えると、ACラインから短いパルスで電流を引き出します。ACサイクルの残りの部分では、コンデンサが電源にエネルギーを供給します。

その結果、このような基本的なスイッチング電源の入力電流は、高調波成分が多く、力率が比較的低くなります。これにより、電力線に余分な負荷が生じ、建物の配線、電力線変圧器、および標準の AC 電動モーターの加熱が増加し、緊急発電システムや航空機発電機などの一部のアプリケーションで安定性の問題が発生する可能性があります。高調波はフィルタリングによって除去できますが、フィルタは高価です。線形誘導性負荷または容量性負荷によって生成される変位力率とは異なり、この歪みは単一の線形部品を追加しても修正できません。短い電流パルスの影響を打ち消すには、追加の回路が必要です。オフライン整流器の後に電流制御ブースト チョッパ段を配置して (ストレージ コンデンサを充電するため)、力率を修正することはできますが、複雑さとコストが増加します。

欧州連合（EU）は2001年、75Wを超える機器の交流入力電流の40次高調波までの高調波に対する制限値を定める規格IEC 61000-3-2を発効しました。この規格では、機器の種類と電流波形に応じて4つのクラスが定義されています。最も厳しい制限値（クラスD）は、パーソナルコンピュータ、コンピュータモニター、およびテレビ受信機に対して設定されています。これらの要件を満たすため、現代のスイッチング電源には通常、力率補正（PFC）段が追加されています。

種類

スイッチング電源は回路トポロジーによって分類できます。最も重要な違いは、絶縁型コンバータと非絶縁型コンバータです。

非分離トポロジ

非絶縁型コンバータは最もシンプルで、3つの基本タイプがあり、エネルギー貯蔵に単一のインダクタを使用します。電圧関係の列におけるDはコンバータのデューティサイクルであり、0から1の範囲で変化します。入力電圧（V 1）は0より大きいと仮定します。入力電圧が負の場合は、一貫性を保つために出力電圧（V 2）を反転します。

タイプ[ 40 ]標準電力 [ W ]相対コストエネルギー貯蔵電圧関係特徴
バック0～1,0001.0単一インダクタ0 ≤ 出力 ≤ 入力、V2＝DV1{\displaystyle \scriptstyle V_{2}=DV_{1}}出力では電流が連続しています。
ブースト0～5,0001.0単一インダクタアウト ≥ イン、V2＝11−DV1{\displaystyle \scriptstyle V_{2}={\frac {1}{1-D}}V_{1}}入力時に電流は連続します。
バックブースト0～1501.0単一インダクタアウト≤0、V2＝−D1−DV1{\displaystyle \scriptstyle V_{2}=-{\frac {D}{1-D}}V_{1}}電流は入力と出力の両方で不連続です。
スプリットパイ（またはブーストバック）0～4,500>2.02つのインダクタと3つのコンデンサ上か下か 双方向電力制御（入力または出力）。
チュクコンデンサと2つのインダクタ反転したもの、V2＝−D1−DV1{\displaystyle \scriptstyle V_{2}=-{\frac {D}{1-D}}V_{1}}電流は入力と出力で連続しています。
セピックコンデンサと2つのインダクタどれでも、V2＝D1−DV1{\displaystyle \scriptstyle V_{2}={\frac {D}{1-D}}V_{1}}入力時に電流は連続します。
ゼータコンデンサと2つのインダクタどれでも、V2＝D1−DV1{\displaystyle \scriptstyle V_{2}={\frac {D}{1-D}}V_{1}}出力では電流が連続しています。
チャージポンプ/スイッチドキャパシタコンデンサのみ変換を実現するために磁気エネルギー貯蔵は必要ありませんが、高効率電力処理は通常、個別の変換比のセットに制限されます。

機器が人間がアクセスできる場合、安全認証（ UL、CSA、VDE承認）には、電圧制限 ≤ 30 V（rms）AC または ≤ 42.4 V ピークまたは ≤ 60 V DC、および電力制限 250 VA が適用されます。

降圧、昇圧、そして昇降圧トポロジーはすべて密接に関連しています。入力、出力、そしてグラウンドは1点に集まります。3つのうち1つは途中でインダクタを通過し、残りの2つはスイッチを通過します。2つのスイッチのうち1つはアクティブ（例えばトランジスタ）である必要があり、もう1つはダイオードで構いません。接続のラベルを変更するだけでトポロジーを変更できる場合もあります。12V入力、5V出力の降圧コンバータは、出力を接地し、出力をグラウンドピンから取り出すことで、7V入力、-5V出力の昇降圧コンバータに変換できます。

同様に、SEPIC コンバータと Zeta コンバータはどちらも Ćuk コンバータのマイナーな再配置です。

中性点クランプ（NPC）トポロジーは電源やアクティブフィルタで使用されており、ここでは完全性のために言及する。[ 41 ]

デューティサイクルが極端に短くなると、スイッチング素子の効率は低下します。大きな電圧変化には、トランス（絶縁型）トポロジの方が適している場合があります。

分離されたトポロジ

すべての絶縁型トポロジーには変圧器が含まれており、巻数比を調整することで入力よりも高い電圧または低い電圧の出力を生成できます。[ 42 ] [ 43 ] 一部のトポロジーでは、変圧器に複数の巻線を配置して複数の出力電圧を生成できます。[ 44 ]一部のコンバーターは変圧器をエネルギー貯蔵に使用しますが、他のコンバーターは別のインダクタを使用します。

タイプ[ 40 ]電力[ W ]相対コスト入力範囲[ V ]エネルギー貯蔵特徴
フライバック0～2501.05～600相互インダクタ バックブーストコンバータ1の絶縁型
リンギングチョークコンバータ（RCC）0～1501.05～600トランス 低コストの自己発振フライバック型[ 45 ]
ハーフフォワード0～2501.25～500インダクタ
前進2100～20060～200インダクタ 降圧コンバータの絶縁型
共鳴前進0～60歳1.060～400インダクタとコンデンサ シングルレール入力、非安定化出力、高効率、低EMI。[ 46 ]
プッシュプル100～1,0001.7550～1,000インダクタ
ハーフブリッジ0～2,0001.950～1,000インダクタ
フルブリッジ400～5,000>2.050～1,000インダクタ 最高出力に使用される変圧器の非常に効率的な使用
共振、ゼロ電圧スイッチング1,000以上>2.0インダクタとコンデンサ
孤立したチュク2つのコンデンサと2つのインダクタ
ゼロ電圧スイッチング電源は、熱として失われるエネルギーがほとんどないため、小型のヒートシンクで済みます。そのため、電源を小型化できます。このZVSは1キロワット以上の電力を供給できます。トランスは図示されていません。
  • ^1 フライバックコンバータの対数制御ループの動作は、他のタイプよりも制御が難しい場合があります。 [ 47 ]
  • ^2 フォワードコンバータにはいくつかのバリエーションがあり、トランスが磁束。

チョッパコントローラ：出力電圧は入力に結合されているため、非常に厳密に制御されます。

準共振ゼロ電流/ゼロ電圧スイッチ

擬似共振スイッチングは、電圧が最小で谷が検出されたときに切り替わります。

準共振ゼロ電流/ゼロ電圧スイッチ（ZCS/ZVS）では、「各スイッチサイクルは量子化されたエネルギーの『パケット』をコンバータ出力に供給し、スイッチのオン/オフはゼロ電流およびゼロ電圧で発生するため、本質的に損失のないスイッチになります。」[ 48 ]準共振スイッチング（バレースイッチングとも呼ばれる）は、 2つの方法で電源の EMIを低減します。

  1. 電圧が最小値（谷間）のときにバイポーラ スイッチを切り替えることで、EMI の原因となるハード スイッチング効果を最小限に抑えます。
  2. 固定周波数ではなく谷が検出されたときに切り替えることで、自然な周波数ジッタが導入され、RF 放射スペクトルが拡散され、全体的な EMI が低減します。

効率とEMI

入力電圧を高くし、同期整流モードを採用することで、変換プロセスはより効率的になります。コントローラの消費電力も考慮する必要があります。スイッチング周波数を高くすると部品サイズを縮小できますが、RFI（無線周波干渉）が増加する可能性があります。共振フォワードコンバータは、従来のハードスイッチングに比べてソフトスイッチング共振波形を使用するため、あらゆるSMPS方式の中で最も低いEMIを実現します。

故障モード

SMPSは温度に敏感な傾向があります。25℃を超えると、10～15℃ごとに故障率は2倍になります。[ 49 ]故障のほとんどは、不適切な設計と部品の選択ミスに起因します。[ 50 ]

寿命に達したコンデンサや、コンデンサ・ペストなどの製造上の欠陥のあるコンデンサを搭載した電源は、最終的には故障します。容量が減少するかESRが増加すると、レギュレータはスイッチング周波数を上げることでこれを補正しますが、その結果、スイッチング半導体はより大きな熱ストレスにさらされることになります。最終的には、スイッチング半導体は通常、導通によって故障します。フェイルセーフ保護のない電源では、接続された負荷に入力電圧と電流が最大限に作用し、出力に激しい振動が発生する可能性があります。[ 51 ]

スイッチングトランジスタの故障はよく見られます。このトランジスタは大きなスイッチング電圧（力率補正機能のない230V AC電源で約325V 、それ以外の場合は通常約390V）を処理する必要があるため、これらのトランジスタはしばしばショートし、その結果、内部の主電源ヒューズが即座に切れてしまいます。

消費者製品の電源は、電力線への落雷や、熱や静電場に引き寄せられた昆虫による内部短絡によって頻繁に損傷を受けます。これらの事象は、電源装置のあらゆる部分に損傷を与える可能性があります。

予防

メインフィルタコンデンサは、入力電源を切断した後も長時間にわたり、最大325ボルトの電圧を蓄えることがよくあります。すべての電源装置に、コンデンサをゆっくりと放電する小さな「ブリーダー」抵抗器が搭載されているわけではありません。このコンデンサに触れると、深刻な感電を引き起こす可能性があります。

一次側と二次側には、EMIを低減し、変圧器が1つであるコンバータ回路内の様々な容量性結合を補償するためにコンデンサが接続される場合があります。これは場合によっては感電につながる可能性があります。IEC 60950によれば、IT機器の場合、ラインまたは中性線から2kΩの抵抗を介してアクセス可能な部品に流れる電流は250μA未満でなければなりません。[ 52 ]

アプリケーション

スイッチングモード携帯電話充電器
電源入力、ファン、出力コードが見える、パソコン用450ワットSMPS

パソコンなどの家庭用製品に搭載されているスイッチング電源ユニット（PSU）は、多くの場合ユニバーサル入力を備えています。つまり、世界中の主電源から電力を供給できますが、手動で電圧範囲を切り替える必要がある場合もあります。スイッチング電源は、幅広い電源周波数と電圧に対応できます。

携帯電話の充電器は、生産量が多いため、常にコストが特に重要でした。初期の充電器はリニア電源でしたが、新たなレベルの効率が求められると、コスト効率の高いリンギングチョークコンバータ（RCC）SMPSトポロジへと急速に移行しました。最近では、アプリケーションにおける無負荷時の電力要件をさらに低減することが求められており、フライバックトポロジがより広く使用されるようになっています。また、一次側センシングフライバックコントローラは、フォトカプラなどの二次側センシング部品を削減することで、部品コスト（BOM）の削減にも貢献しています。

スイッチング電源はDC/DC変換にも使用されます。公称24VのDC始動電源を使用する大型車両では、DC/DCスイッチング電源を介してアクセサリ用の12Vを供給することができます。これは、バッテリーの12V位置（セルの半分を使用）でタップする場合と比較して、12V負荷全体が24Vバッテリーのすべてのセルに均等に分割されるという利点があります。通信ラックなどの産業環境では、バルク電源が低いDC電圧（例えば、バッテリーバックアップシステムから）で配電され、個々の機器には必要な電圧を供給するためのDC/DCスイッチング電源が搭載されます。

スイッチング電源の一般的な用途は、照明用の超低電圧電源です。この用途では、スイッチング電源はしばしば「電子トランス」と呼ばれます。

電子トランスと呼ばれる超低電圧照明アプリケーション用のSMPSの例

用語

スイッチモードという用語は、モトローラがスイッチングモード電源市場向けの製品に対する商標SWITCHMODEの所有権を主張し、その商標を執行し始めるまで広く使用されていました。 [ 37 ]スイッチングモード電源、スイッチング電源、スイッチングレギュレータはこのタイプの電源を指します。[ 37 ]

参照

説明ノート

  1. ^パス トランジスタは、電源の入力から出力までの経路で電力が通過するアクティブ デバイスです。
  2. ^例えば、ある出力に最小出力電流制限が課される場合があります。電圧調整フィードバックループに供給する出力は、どちらか1つを選択する必要があります（通常、 3.3 Vまたは5 V負荷は12 V負荷よりも供給電圧に敏感なので、どちらをフィードバックループに供給するかは、このことが決め手となります。他の出力は通常、調整された出力にかなり正確に追従します）。

注記

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参考文献

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さらに読む

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