新しいエレクトロニクス

Aug 26, 2023

ガルバニック絶縁電源は多くのアプリケーションで使用されています。 これにはさまざまな理由があります。

一部の回路では、安全性を考慮してガルバニック絶縁が必要です。 他の回路では、信号への干渉をブロックするために機能絶縁が使用されます。

ガルバニック絶縁電源は通常、フライバック コンバータを使用して設計されています。 これらのレギュレータは非常にシンプルな設計です。 図 1 は、ADP1071 フライバック コントローラを備えたこのようなレギュレータの一般的な設計を示しています。

トランス上のドットが一致していないため、フライバック コンバータであることがわかります。 一次側電源スイッチ (Q1) が使用されます。 また、二次側整流回路が必要となります。 これはショットキー ダイオードを使用して実行できますが、効率を高めるために、アクティブ スイッチ (図 1 の Q2) が一般的に使用されます。 対応する ADP1071 コントローラは、スイッチの制御とフィードバック パス FB のガルバニック絶縁を提供します。

図 1. 最大約 60W の電力に対応する一般的なフライバック レギュレータ (フライバック コンバータ)。

フライバック コンバータは非常に人気がありますが、このトポロジには実際的な制限があります。 図 1 の変圧器 T1 は、実際には従来の変圧器として使用されません。 Q1 がオン状態の場合、T1 の 2 次巻線には電流が流れません。 一次側電流のエネルギーはほぼ完全にトランスコアに蓄えられます。

降圧コンバータがチョーク (インダクタ) にエネルギーを蓄積する方法と同様に、フライバック コンバータはこれをトランス内で行います。 Q1がオフ状態の場合、T1の2次側に電流が流れます。 これにより、出力コンデンサ COUT と出力にエネルギーが供給されます。 この概念は実装が非常に簡単ですが、高出力では固有の制限があります。 変圧器Ｔ１はエネルギー貯蔵素子として使用される。 このため、トランスは結合インダクタ (チョーク) とも呼ばれます。 これには、変圧器が必要なエネルギーを蓄えることができる必要があります。 電源のエネルギークラスが高くなるほど、変圧器は大きくなり、高価になります。 ほとんどのアプリケーションでは、上限は約 60 W です。

高電力のためにガルバニック絶縁された電源が必要な場合は、フォワード コンバータが適切な選択肢です。 概念を図 2 に示します。ここでは、変圧器は実際に古典的な変圧器として使用されています。 Q1の一次側に電流が流れると、二次側にも電流が流れます。 したがって、変圧器はエネルギー貯蔵容量を提供する必要がありません。 実際にはその逆です。 数サイクル後に誤って飽和に達しないように、Q1 のオフ時間中にトランスが常に放電されるようにする必要があります。

図 2. 最大約 200W の電力に対応するフォワード レギュレータ (フォワード コンバータ)。

同じ電力の場合、フォワード コンバータにはフライバック コンバータよりも小さなトランスが必要です。 これにより、フォワード コンバータは 60W 未満の電力レベルでも実用的かつ合理的に使用できるようになります。 欠点の 1 つは、変圧器コアが各サイクルで意図せずに蓄積されたエネルギーから解放されなければならないことです。これは、図 2 のスイッチ Q4 とコンデンサ CC によるアクティブ クランプ配線によって実現されます。また、フォワード コンバータには、通常、出力側に追加のインダクタ L1 が必要です。 。 ただし、これにより、出力電圧のリップルを同じ電力レベルのフライバック コンバータよりも低くすることもできます。

図 3. LTspice でシミュレーションされた ADP1074 を使用した回路の例。

Analog Devices の ADP1074 などの電源管理 IC は、フォワード コンバータを設計するための非常にコンパクトなソリューションを提供します。

このアーキテクチャは通常、約 60 W を超える電力レベルが必要な場合に使用されます。 60W 未満では、回路の複雑さと達成可能な効率に基づいて、フライバック コンバータよりもフォワード コンバータの方が良い選択となる可能性もあります。 どのトポロジを使用するかを簡単に決定するには、無料の回路シミュレータ LTspice を使用したシミュレーションをお勧めします。 図 3 は、LTspice シミュレーション環境での ADP1074 フォワード コンバータ回路のシミュレーション回路図を示しています。

著者の詳細:アナログ・デバイセズのフィールド・アプリケーション・エンジニアである Frederik Dostal への連絡先は次のとおりです。

[email protected]

これは、ADI による設計ヒント シリーズの 6 回目です。

以下のリンクをクリックして読んでください。

ADI からの設計のヒント: ホット ループとは実際には何ですか?

アナログ・デバイセズの設計ヒント: 敏感な電子信号入力の過電圧保護

アナログ・デバイセズの設計ヒント: バイパス・コンデンサとカップリング・コンデンサ: 正しい方法で電圧を安定化する

アナログ・デバイセズからの設計のヒント: 温度測定テクノロジー

ADI の設計ヒント: 低ノイズ電圧の生成