先進のスイッチングICで効率的で機能豊富な低消費電力AC/DC電源を実現
著者 Bill Schweber 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2024-08-13
マルツ掲載日：2024-12-09
約10W以下の低電力AC/DC電源は、家庭用調光器、スイッチ、センサ、家電製品、IoT、産業用制御機器などに広く使用されています。これらの装置の負荷は長時間スタンバイモードにあるため、デューティサイクルは比較的低いですが、装置が起動されると、電源は素早く「起動」しなければなりません。
このような電源の設計は概念的に簡単で、ライン整流用のダイオード数個から始め、コントローラICを追加し、出力にフィルタ用コンデンサを置き、絶縁が必要ならトランスを挿入すれば作業は完了します。しかし、一見単純そうに見えるものの、実際にはこれらの電源の作製はかなり異なります。
これらは、安定したDC出力レールを供給するという基本的な機能を提供し、ユーザーの安全性、負荷時の効率、スタンバイ効率に関する複数の厳しい規制要件を満たさなければなりません。さらに、設計者が考慮しなければならない物理的レイアウト、サポートコンポーネント、信頼性、性能評価、認証、パッケージングの問題もあります。設計者は、フットプリントとコストを最小限に抑えつつ、短い市場投入までのサイクルを満たすために努力をしなければなりません。
この記事では、Power Integrationsの高集積オフラインスイッチングコントローラICファミリを紹介し、これらの課題に対処するためにどのように使用できるかを説明します。
MOSFETとコントローラICを統合
Power IntegrationsのLinkSwitch-TNZファミリは、8つの異なるオフラインスイッチングコントローラICで、SO-8Cパッケージに収められた単一のデバイスに、725VのパワーMOSFETスイッチと電源コントローラを組み合わせています。
各モノリシックICは、優れたサージ耐量、発振器、自己バイアス用高電圧スイッチドカレントソース、周波数ジッタリング、高速(サイクル毎)電流制限、ヒステリシスサーマルシャットダウン、出力および入力過電圧保護回路を備えています。
このデバイスは、選択された導通モードに応じて、225mAまたは360mAの出力電流を持つLNK3306D-TLを使用した降圧コンバータ設計(図1)のような非絶縁配置のコアを形成することができます。また、非絶縁型降圧電源として構成し、最大575mAの出力電流を供給することもできます。
図1：LinkSwitchファミリを使用したこの典型的な非絶縁型降圧コンバータの設計は、これらのデバイスを使用して実装可能な多くのトポロジの1つに過ぎません。(画像提供：Power Integrations)
二重絶縁されている負荷やACライン配線障害から保護されている負荷はガルバニック絶縁を必要としませんが、一部のデバイスはガルバニック絶縁を必要とします。このような状況では、ユニバーサル入力絶縁フライバック設計でLinkSwitch-TNZデバイスを使用する方が良い選択です。このデバイスは、このトポロジで最大12Wの出力電力を供給可能です。
LinkSwitch-TNZファミリのICは、トポロジによって出力電流と電力容量が異なります(表1)。
表1：LinkSwitch-TNZファミリは、複数の構成、トポロジ、および動作モードをサポートしています。各配置は、最大出力電流や電力制限が異なります。(画像提供：Power Integrations)
コンセプトから実施まで
LinkSwitch-TNZファミリの高い統合性と柔軟性は、設計者のタスクを簡素化します。認証され、出荷可能な電源設計を開発する上での多くの課題の中には、次のようなものがあります。
(1)効率性と安全性に関連する厳しい義務化された要件
厳しい待機電力効率規制を満たしつつ、スタンバイモードで電力を供給する必要があるため、これらはより難しくなっています。LinkSwitch-TNZのICは、クラス最高の軽負荷効率を提供し、以下を含むスタンバイ規制を満たしながら、より多くのシステム機能に電力を供給することを可能にします。
・欧州委員会(EC)の家電製品規格(1275)では、スタンバイまたはオフモードでの消費電力が0.5W以下であることを要求
・スマート照明制御デバイスの待機時消費電力を0.5Wに制限するスマートホームエネルギーマネジメントシステム(SHEMS)向けのエネルEnergy Starバージョン1.1
・電子レンジのオフモード消費電力を0.5Wに制限する中国のGB24849
これらの要件を満たす一方で、LinkSwitch-TNZ ICは、ディスクリート設計と比較して部品点数を40%以上削減します。これらのスイッチング電源ICは、ラインと負荷の全体で±3%の安定化を行い、外部バイアスで30mW未満の無負荷消費を実現するとともに、100μA未満のIC待機電流を有します。
(2)ニュートラル線のない2線式ACライン接続と3線式接続を安全にサポート
調光器、スイッチ、センサなど、多くの負荷にはこの3本目の配線がないため、過大で潜在的に危険な漏れ電流が流れる危険性があります。この規格では、さまざまな状況下での最大リーク電流が定義されており、2線式のニュートラル線不要の設計におけるLinkSwitch-TNZのリーク電流150μA以下は、この最大値を下回っています。
(3)電磁妨害(EMI)エミッションの制限を超えないこと
この目的を達成するため、LinkSwitch-TNZ発振器は、公称66kHzのスイッチング周波数を中心に4kHzの少量の周波数ジッタを導入するスペクトラム拡散技術を使用しています(図2)。周波数ジッタの変調率を1kHzに設定することで、平均エミッションと準尖頭値エミッションの両方でEMI低減を最適化しています。
図2：EMI放射を規制値以下に抑えるため、LinkSwitch-TNZ発振器は、公称66kHzのスイッチング周波数を中心に4kHzの広がりを持つスペクトラム拡散技術を使用しています。(画像提供：Power Integrations)
(4)最小限の追加部品と消費電力でACラインのゼロクロスを検出
この検知は、リレーやトライアックを使って定期的にACラインを接続したり切断したりする照明スイッチ、調光器、センサ、プラグに必要です。
ゼロクロス信号は、スマートホームやビルオートメーション(HBA)製品、家電製品などで使用され、スイッチングストレスやシステム突入電流を最小限に抑えるためにスイッチングを制御します。
同様に、家電製品では、モータとマイクロコントローラユニット(MCU)のタイミングを制御するために、ディスクリートのゼロクロス検出回路を使用することが多いです。これらのアプリケーションでは、ワイヤレスコネクティビティ、ゲートドライバ、センサ、ディスプレイ用の補助電源も必要になります。
これを実現するために、通常、ACラインのゼロクロスを検出するディスクリート回路が実装され、スイッチング損失と突入電流を低減しながら、1次側パワーデバイスのターンオン遷移を制御します。この方法は、多くの部品を必要とし、非常にロスが大きく、時には待機時のパワーバジェットの半分近くを消費することもあります。
代わりに、LinkSwitch-TNZ ICは、正弦波ACラインがゼロボルトであることを示す正確な信号を提供します。LinkSwitch-TNZのゼロクロスポイント検出の消費電力は5mW未満であるため、10個以上のディスクリート部品を必要とし、50～100mWの連続電力を消費する代替アプローチと比較して、システムは待機時の電力損失を削減できます。
Xコンデンサの存在
ラインEMIフィルタには、EMI/RFIの発生を最小限に抑えるクラスXとクラスYのコンデンサがあります。これらは、ACラインとACニュートラルのAC電源入力に直接接続されています(図3)。
図3：EMIフィルタには、ACラインにクラスXとクラスYのフィルタ用コンデンサが必要ですが、クラスXのコンデンサは、ユーザーの安全を確保するために、ライン切断後に管理する必要があります。(画像提供：www.topdiode.com)
EMCフィルタのXコンデンサは、ACラインが切断されたときに放電され、切断後に蓄積された電圧とエネルギーがラインコード上に長時間残らないようにすることが安全上の義務となっています。最大許容放電時間は、IEC60950やIEC60065などの業界標準によって規定されています。
必要な放電を確実に行うための伝統的なアプローチは、Xコンデンサに並列にブリーダ抵抗を追加することです。しかし、このアプローチにはパワーペナルティが伴います。より良い解決策は、ユーザーが設定可能な時定数を持つXコンデンサ放電機能を組み込むことです。LNK3312D-TLのようなICは、このアプローチをとっています。その結果、プリント回路(PC)基板のスペースが削減され、部品表(BOM)が減り、信頼性が向上します。
電源やコンバータには複数の保護機能が必要です。LinkSwitch-TNZファミリのすべてのICは、以下の機能を内蔵しています。
・起動時のシステムコンポーネントのストレスを抑えるソフトスタート
・短絡および開ループ故障時の自動再起動
・出力過電圧保護
・ライン入力過電圧保護
・ヒステリシス付き過温度保護
ICから完全な設計まで
どれほど優れていても、どれほど多くの機能を備えていても、ICだけでは多くのコンポーネントをそのデバイスに統合できないか、あるいは統合すべきでないため、すぐに使える完全なAC/DCコンバータにはなりません。
これには、バルクフィルタコンデンサ、バイパスコンデンサ、インダクタ、トランス、保護部品などが含まれます。外付け部品の必要性は、LNK3302D-TLデバイスをベースにしたゼロクロス検出器付きの非絶縁ユニバーサル入力、6V、80mAの定電圧電源で示されています(図4)。
図4：LNK3302D-TL ICをベースとした、完全で安全な非絶縁型ユニバーサル入力、6V、80mAのゼロクロス検出器付き定電圧電源に必要な外付け部品を示します。(画像提供：Power Integrations)
また、クリーページやクリアランスといった属性についても、安全関連の最小寸法があります。そこで問題になるのが、完全な設計を開発することの難しさです。LinkSwitch-TNZ ICファミリは、この作業を容易にします。たとえば、66kHzのスイッチング周波数を使用することで、必要な磁性部品には複数のベンダーから提供されている標準的な既製品が使用可能です。さらに、Power Integrationsはリファレンスデザインを提供しています。
絶縁電源が必要な場合、RDK-877リファレンスデザイン(図5)は、LNK3306D-TLをベースとしたゼロクロス検出付きの6W絶縁型フライバック電源です。
図5：6WのRDK-877リファレンスデザインは、フライバックトポロジで絶縁を提供し、LNK3306D-TLをベースにしています。(画像提供：Power Integrations)
入力範囲は90VACから305VAC、出力は12Vの500mAで、無負荷時の消費電力はACライン全域で30mW未満です。スタンバイモードでは350mW以上の電力が利用可能で、アクティブモードの効率はDOE6およびEC CoC(v5)の要件を満たし、公称負荷での全負荷効率は80%を超えます。この設計は、伝導EMIに関するEN550022およびCISPR-22クラスBの要件も満たしています。
まとめ
低消費電力AC/DC電源の設計と実装は、些細なことに思えるかもしれません。それでも、性能と効率の目標、安全性と規制の義務、さらにコスト、設置面積、市場投入までの時間の要求を満たすという現実が、この作業を困難なものにしています。
Power IntegrationsのLinkSwitch-TNZファミリのような、コントローラとMOSFETを組み合わせたスイッチングICは、作業を大幅に軽減します。これらのICはさまざまな電力レベルをサポートし、ゼロクロス検出やXキャパシタ放電などの重要な機能を組み込みながら、さまざまな電源トポロジで使用できます。
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