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(1)AC/DC変換の基礎. © 2015 ROHM Co.,Ltd..

(2) AC/DC変換の基礎アジェンダ転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 1.

(3) AC/DC変換の基本転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 2.

(4) AC/DC変換の基本転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 3.

(5) AC/DC変換の基本転載厳禁. AC/DC変換の基本：整流方法半波整流. 全波整流. LOR. LOR. D. D. 入力電圧整流後コンデンサなし整流平滑後コンデンサあり © 2015 ROHM Co.,Ltd.. 0. 0. 0. 0. Ripple電圧 0. 0. P. 4.

(6) AC/DC変換の基本転載厳禁. AC/DC変換の基本：トランス方式. VDC 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. 0. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 5.

(7) AC/DC変換の基本転載厳禁. AC/DC変換の基本：トランス方式. 電圧レギュレータ. 100VAC. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. トランス. ダイオードブリッジ整流器. コンデンサ. P. 6.

(8) AC/DC変換の基本 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. 転載厳禁. 整流ダイオード. （＋） VDC. 100VAC. （－）コンデンサ. コンデンサ制御回路. 0. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 7.

(9) AC/DC変換の基本スイッチング方式で高DC電圧を降圧する仕組み PWM方式のイメージ時間（デューティサイクル%）電圧. 25%. 75%. 平均化. 転載厳禁. 電圧. 25%. 50% 50%. 50%. 75% 75% 25%. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 8.

(10) AC/DC変換の基本 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. 転載厳禁. 整流ダイオード. （＋） VDC. 100VAC. （－）コンデンサ. コンデンサ. 制御回路. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 9.

(11) AC/DC変換の基本転載厳禁. 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. 電圧レギュレータ. 100VAC ダイオードブリッジ整流器. トランス. 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. 100VAC. （－）コンデンサ. コンデンサ制御回路. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 10.

(12) AC/DC変換の基本転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. 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. P. 11.

(13) AC/DC変換の基本転載厳禁. 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）. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 12.


(15) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 14.

(16) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. Buck（降圧）（非絶縁）. P. 15.

(17) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. 平滑後のDC/DC変換方式：リニアレギュレータ. IN. • 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 • 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. OUT GND. VIN MAX 有効入力範囲損失電力. VDROPOUT. VOUT. 有効電力. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 16.

(18) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. 平滑後のDC/DC変換方式：フライバック • 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 • 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 17.

(19) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. PWMフライバック方式の動作（連続モードの場合）スナバ回路. Vf. Vout. Vp. Np. Ns Vs. Is. Vgs. ton. toff. Vp. VOR. VIN. Ip Vgs. VOR=. Vs. Vf+Vout Ns ・VIN Np. Vds. Vds • 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. Np ・(Vf+Vout) Ns. VIN+VOR. Ipk. Ip. VIN Lp. Np ・Ipk Ns. Is. P. 18.

(20) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 19.

(21) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. フォワード方式の動作リセット回路. IL. D1 D2. Vgs. ton. toff. VIN. Vp. VR. VIN+VR. Vds. VIN. Ipk. Ip • 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. Im Ipk=. IL. Np ・IL+Im Ns. Im=. VIN ・ton Lp -Vout L. Iout. P. 20.

(22) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. 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 D1 • 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. D2. P. 21.

(23) 平滑後のDC/DC変換（安定化）方式転載厳禁. Buck方式（連続モードの場合） Ip. IL. Vgs. Vgs. toff. Vout. L VIN. ton. VL. VIN-Vout. Vout. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. -Vout L. Iout. IL. P. 22.


(25) AC/DC変換回路設計の設計手順（概要）転載厳禁. 3. AC/DC変換回路設計の設計手順 ① ② ③ ④ ⑤. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. 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. P. 24.

(26) AC/DC変換回路設計の設計手順（1） 3. AC/DC変換回路設計の設計手順. 転載厳禁. ① 要求仕様固め 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 © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 25.

(27) AC/DC変換回路設計の設計手順（2）転載厳禁. ③ 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）. ④ 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. ⑤ 量産設計、評価、出荷検査. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 26.

(28) AC/DC変換回路設計の設計手順（3）転載厳禁. （入出力仕様例）. Min 入力. 電圧(Vac). Typ. 90. 0.5 47. 50/60. 無負荷時入力電力(W) 出力. 11.4. 電流(A). 1.5. 12. Vin:100Vac/230Vac. 12.6 100. Ripple電圧(mV). © 2015 ROHM Co.,Ltd.. 63 0.1. 電圧(V). 効率(%). Condition. 264. 電流(A) 周波数(Hz). Max. 20MHz Bandwidth. 80. P. 27.

(29) AC/DC変換回路設計の設計手順（5）転載厳禁. （トランス仕様例）. 1. 12. Barrier tape. NP1 11. 2. 2mm. NP2 3. 10. NP1. NS2. ND. 6. ND. NS2. NＰ2. 9. 4 5. NS1. NS1. 4mm. 8 7. Insulation tape. 3T. 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/N2 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 PS-CORE ： AC1.5KVrms １MIN. 2mA or AC1.8KVrms 1S 2mA IR ：P-S，PS-CORE 100MΩ MIN. at DC 500V. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. 巻始め：バリアテープ固定巻終り：直角引出し挟み込み処理巻方向：統一. P. 28.

(30) AC/DC変換回路設計の設計手順（4）転載厳禁. （PWMフライバック回路例） ACIN_L. AC90V -264V. ACIN_N. F1 1.6A/ AC250V. LF1 BR1 800V 1A. ZNR1. 1 R4 120k. C1 47uF 400V. C3 0.1uF/X2. 0.39Ω /0.5W 120kΩ /1W 5.1Ω 1.2kΩ 1kΩ 12kΩ 2kΩ 43kΩ 2.7kΩ EI25. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. C15 0.1uF 16V. 12V 1.5A. 6,7 GND. 4. Rohm Rohm Rohm NEC Tokin. 5. C5 10uF 50V. VCC. 7. R11 2k. FB. C7 2200pF/Y1 4. R3 0.39. C6 1000pF. C10 0.1uF. R7 1k. 1. PC1 PC817. IC2 TL431 3. R12 43k R13 2.7k. R6 1.2k. 5. 4. GND. IC1 BM2P014. 3. Drain NC 2. Drain. 8. Maker. Source. Parts name 47uF/400V 2200pF/1kV 0.1uF/X2 10uF/50V 1000pF/50V 1608 2200pF/Y1 100pF/1kV 0.1uF/50V 1608 Low-Z 1000uF/25V 0.1uF/50V 1608 UA80 UF4007 RR264M-400 RF601T2D 1.6A/AC250V BM2P014 SS11VL-10062 7D471K MCR25JZHFJR390 120kΩ /1W MCR10EZPJ5R1 MCR10EZPJ122 MCR10EZPJ102 MCR10EZPJ123 MCR10EZPJ202 MCR10EZPJ433 MCR10EZPJ272 YPP1183 TL431 PC817. C12 1000uF 25V. 3 R5 5.1. Vout. 8,9. C2 2200pF. D4 200V 0.5A. 1. Spec 47uF/400V 2200pF/500V 0.1uF/X2 10uF/50V 1000pF/16V 2200pF/Y1 100pF/1kV 0.1uF/25V Low-Z 1000uF/25V 0.1uF/25V 800V/1A FRD 650V 0.5A 200V 0.5A FRD 200V 5A. D6 FRD 200V 5A. D3 FRD 650V 0.5A C8 100pF 1kV. Item C1 C2 C3 C5 C6 C7 C8 C10 C12 C15 BR1 D3 D4 D6 F1 IC1 LF1 ZNR1 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R11 R12 R13 T1 IC2 PC1. T1. R8 12k. 2. Rohm Rohm Rohm Rohm Rohm Rohm Rohm Rohm Tomita. P. 29.

(31) AC/DC変換回路設計の設計手順（6）転載厳禁. 45mm. （評価ボード例）. 90mm. （評価例） 90. 100. 230. 264. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. Pin(W) 0.033 0.179 1.479 7.174 14.33 21.64 0.032 0.179 1.478 7.165 14.30 21.51 0.036 0.183 1.497 7.272 14.34 21.49 0.045 0.190 1.481 7.240 14.39 21.57. Vout(V) 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.08 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09 12.09. Iout(A) 0 0.01 0.1 0.5 1 1.5 0 0.01 0.1 0.5 1 1.5 0 0.01 0.1 0.5 1 1.5 0 0.01 0.1 0.5 1 1.5. Pout(W) 0 0.121 1.209 6.043 12.09 18.13 0 0.121 1.209 6.043 12.09 18.13 0 0.121 1.209 6.044 12.09 18.13 0 0.121 1.209 6.044 12.09 18.13. η (%) 67.5 81.7 84.2 84.3 83.8 67.7 81.8 84.3 84.5 84.3 66.1 80.7 83.1 84.3 84.4 63.6 81.6 83.5 84.0 84.1. Efficiency 100 90 80 70. Efficiency(%). Vin(V). 60 90Vin. 50. 100Vin. 40. 230Vin. 30. 264Vin. 20 10 0 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 1.2. 1.4. Iout(A). P. 30.


(33) AC/DC変換回路設計の課題と検討事項（1）. 4. AC/DC変換回路設計の課題と検討事項. 転載厳禁. 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 32.

(34) AC/DC変換回路設計の課題と検討事項（2）転載厳禁. ③ 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. ④ 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. ⑤ 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. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. P. 33.

(35) AC/DC変換回路設計の課題と検討事項（3）転載厳禁. （ノイズと効率のトレードオフ）ターンOFF時の発生ノイズ i L. ターンOFF時のスイッチング損失. Vn. Vds. Ip R. VIN. Vds. Ip SW. SW. on. R；小⇒スピードアップ. off. Vn Vn= - L・. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. di dt. R；大⇒スピードダウン. Ip. Ip. Vds. Vds. ・損失；小・ノイズ；大 (di/dt；大）. ・損失；大・ノイズ；小(di/dt；小）. P. 34.

(36) AC/DC変換の基礎転載厳禁. 1. AC/DC変換の基本 ① ② ③. トランス方式スイッチング方式トランス方式とスイッチング方式の比較. 2. 平滑後のDC/DC変換方式 ① ② ③ ④. リニアレギュレータフライバックフォワードダイオード整流. © 2015 ROHM Co.,Ltd.. 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、周辺部品選定評価、試作量産設計、評価、出荷検査. 4. AC/DC変換回路設計の課題と検討事項 ① ② ③ ④ ⑤. ディスクリート構成か電源用ICを使うか効率小型化－部品数、部品サイズ保護機能認証、規制など. P. 35.

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