PowerPoint プレゼンテーション

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

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

2

AC/DC変換の基礎 アジェンダ

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

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

4

AC/DC変換の基本

当面はAC/DC変換が必要

全波整流

0 0 0

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

半波整流

0 0 0

Ripple電圧

LORD

LORD

AC/DC変換の基本：整流方法

AC/DC変換の基本：トランス方式

AC/DC変換の基本

トランス

100VAC

ダイオード

ブリッジ整流器

コンデンサ

0

VDC

電圧

レギュレータ

6

AC/DC変換の基本：トランス方式

トランス

100VAC

ダイオード

ブリッジ整流器

コンデンサ

電圧

レギュレータ

AC/DC変換の基本：スイッチング方式

AC/DC変換の基本

0

高周波

トランス

100VAC

ダイオード

ブリッジ整流器

コンデンサ

（＋）

（－）

整流

ダイオード

コンデンサ

制御回路

スイッチング

素子

VDC

8

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

75%

25%

50%

50%

75%

75%

50%

25%

25%

電圧

時間（デューティサイクル%）

電圧

平均化

AC/DC変換の基本：スイッチング方式

AC/DC変換の基本

高周波

トランス

100VAC

ダイオード

ブリッジ整流器

コンデンサ

（＋）

（－）

整流

ダイオード

コンデンサ

制御回路

スイッチング

素子

VDC

10

トランス

100VAC

ダイオード

ブリッジ整流器

コンデンサ

VDC

AC/DC変換の基本：トランス方式とスイッチング方式

電圧

レギュレータ

高周波

トランス

100VAC

ダイオード

ブリッジ整流器

コンデンサ

（＋）

（－）

整流

ダイオード

コンデンサ

制御回路

スイッチング

素子

VDC

（＋）

（－）

AC/DC変換の基本

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

12

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）

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

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

（＋）

（－）

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

16

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

80

V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

V

_{IN MAX}

V

_OUT

損失電力

有効入力範囲

有効電力

V

_DROPOUT

GND

平滑後のDC/DC変換 方式：フライバック

平滑後のDC/DC変換（安定化）方式

•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

18

PWMフライバック方式の動作（連続モードの場合）

Vgs

Vp

Vds

Ip

Is

VIN VIN+VOR

Vs

Vf+Vout ・VIN Ns Np VOR ・(Vf+Vout) Np Ns VOR= ・Ipk Np Ns Ipk ton toff

• 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

Vgs

VIN

Vds

Ip

Vp

Is

Np

Ns Vs

Vout

Vf

Lp

VIN Lp

スナバ回路

平滑後のDC/DC変換 方式：フォワード

平滑後のDC/DC変換（安定化）方式

•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

D1

D2

20

D1

D2

フォワード方式の動作

VIN

Vgs

Vp

Vds

Ip

IL

VIN VR Ipk ton toff

Vp

Np

Ns

VIN+VR

Vgs

Vds

Ip

・IL+Im Np Ns

Ipk= VIN ・ton Lp Im= Iout

• 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

Lp

-Vout L

L

IL

Im VIN

リセット回路

平滑後のDC/DC変換 方式：Buck（非絶縁）

平滑後のDC/DC変換（安定化）方式

•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。

• 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

フォワード方式

22

Buck方式（連続モードの場合）

• 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

Vgs

VL

Vds

Ip

VIN-Vout Vout ton toff

Vgs

_VL

Vout

VIN

Ip

IL

VIN

IL

Iout

L

VIN-Vout L -Vout L

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

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 試作、評価

⑤ 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

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（1）

26

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

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)

0.1

Vin:100Vac/230Vac

出力

電圧(V)

11.4

12

12.6

電流(A)

1.5

Ripple電圧(mV)

100

20MHz Bandwidth

効率(%)

80

c 2013 ROHM Co.,Ltd. All Rights Reserved

NP1

NS1

ND

NS2

NＰ2

2mm

Barrier tape

4mm

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/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）

Barrier tape

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

NS1

1 2 3 12

NP1

NP2

4 5

ND

6 7 10 11

NS2

9 8

AC/DC変換回路設計の設計手順 （4）

（PWMフライバック回路例）

30

F1 1.6A/ AC250V C3 0.1uF/X2 LF1 R4 120k D3 FRD 650V 0.5A PC1 PC817 C12 1000uF 25V R11 2k R6 1.2k R7 1k C10 0.1uF IC2 TL431 R12 43k R8 12k T1 C2 2200pF 1 3 4 5 8,9 6,7 C1 47uF 400V R3 0.39 C7 2200pF/Y1 R5 5.1 D4 200V 0.5A C5 10uF 50V 1 2 3 4 C6 1000pF D6 FRD 200V 5A

12V

1.5A

AC90V

-264V

R13 2.7k ACIN_L ACIN_N Vout GND BR1 800V 1A C15 0.1uF 16V 1 4 5 7 8 V C C D ra in F B G N D S o ur ce 2 3 N C D ra in IC1　 BM2P014 C8 100pF 1kV ZNR1

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

90mm 45 m m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Ef fi ci e n cy (% ) Iout(A) Efficiency 90Vin 100Vin 230Vin 264Vin 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 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 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 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 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 90 100 230 264

（評価例）

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

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

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

AC/DC変換回路設計の課題と検討事項（2）

34

SW

Vn

VIN on off di dt Vn= - L・

ターンOFF時の発生ノイズ

SW

Vn

L

i

ターンOFF時のスイッチング損失

VIN

Vds

Ip

R

Vds

Ip

Ip

Vds

Ip

Vds

・損失；小

・ノイズ；大 (di/dt；大）

R；小⇒スピードアップ

R；大⇒スピードダウン

・損失；大

・ノイズ；小(di/dt；小）

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

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

AC/DC変換の基礎

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

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

36

ご清聴、ありがとうございました。