多様なEMC要件に対応するAC/DCコンバータを簡単に最適化する方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2022-01-20
マルツ掲載日：2022-05-02
AC/DC電源の設計者は、コスト、設計時間、フォームファクタを削減しながら、効率を高め、世界のさまざまな電磁両立性(EMC)要件を満たすよう、常に競争圧力にさらされています。また、幅広いAC(場合によってはDC)入力電圧の効率と性能の維持、広い温度範囲での動作、出力の短絡や過電流保護によるデバイスとユーザーの安全性確保なども求められます。
フレキシブルなマルチアプリケーション電源の設計は、特定のスキルが必要で時間のかかる、困難な作業です。そのようなスキルが社内にあっても、市場投入までの時間が大幅に増加する可能性があります。既製のモジュールは特定の性能仕様で提供されていますが、要件が変わった場合、設計者は別のモジュールを選択しなければなりません。
設計者はこの問題を解決するために、規制、フットプリント、性能の主な仕様を満たしながら、変化する要件に対応する高度なカスタマイズを可能にする基板実装型AC/DCコンバータを使用することができます。
この記事では、低消費電力デバイスの電源設計に関する問題点について説明します。その後、Mornsunの小型AC/DCコンバータを紹介し、さまざまな用途に合わせて簡単にカスタマイズできることを説明します。
設計者はこれらの最適化により、ユーザーとデバイスの安全性を確保し、特定レベルのEMCを実現しながら、コストを最小化し、効率を最大化し、ソリューションサイズを縮小するマルチアプリケーションAC/DCコンバータを実現できることを示します。
低消費電力電源の設計要件
電磁妨害(EMI)と電磁感受性(EMS)の両面におけるEMC要件は、一部の民生用アプリケーションのための最小限のフィルタリングから、EMI(エミッション)についてはCISPR32/EN55032のクラスBレベル、EMS(イミュニティ)についてはIEC/EN61000のレベル4を満たす必要のある産業用システムや屋外ロケーションまで、多岐にわたります(表1)。さらにこれらのAC/DCコンバータには、効率基準レベル6への対応、広い温度範囲での動作、出力の短絡・過電流保護、小型、低コストなどが求められます。
表1：MornsunのAC/DCコンバータは周辺コンポーネントの追加により、エミッションおよびイミュニティに関するさまざまなアプリケーション要件を満たすようにカスタマイズできます。(表提供：Mornsun)
アプリケーションとその特定の要件ごとに電源を設計または選択する必要があるかもしれませんが、その場合、設計時間、費用、在庫管理の面でコストがかかります。コストやリソースの面でより優れているのは、多様なアプリケーションの性能範囲内にあり、各アプリケーションの仕様に合わせて容易に最適化できる標準的な電源モジュールを使用することです。
マルチアプリケーションのカスタマイズ
そのために、設計者はEMIやEMSの要件を満たすMornsunの基板実装型AC/DCコンバータLS-R3シリーズを利用することができます。基本となるコアボードは3～10Wの出力に対応しており、サイズは28×14.73×11mmと、同程度の出力のコンバータに比べて43%の小型化を実現しています(図1)。
図1：LS-R3シリーズのAC/DCコンバータは、信頼性の高いフライバックパワーステージで、さまざまなEMI/EMSレベルに合わせてカスタマイズできるように設計されています。(画像提供：Mornsun)
EMIはCISPR32/EN55032のクラスB、EMSはIEC/EN61000-4-4の±4kV電気的ファストトランジェント(EFT)、レベル4の±2kV(サージ)に対応しており、さまざまなEMI/EMS仕様に合わせて簡単にカスタマイズできます。EMI/EMSレベルを最適化することで、設計者はコストとソリューションサイズを最小化するマルチアプリケーションAC/DCコンバータを実現できます。
LS-R3シリーズは、IEC/EN/UL62368の安全規格とレベル6の効率基準に準拠し、出力短絡および過電流保護機能、－40°C～+85°Cの広い動作温度範囲を備えています。
マルチアプリケーションのカスタマイズは、基本的なヒュージングやフィルタリングのニーズから始まります。LS-R3シリーズの入力範囲はAC85～305V(またはDC70～430V)ですが、アプリケーションによってはAC110、230、277Vなどの特定のグリッド電圧で動作するため、それに対応したヒューズ定格が必要となります(表2)。たとえば、DC12V、420mAの出力を持つモデルLS05-13B12R3の場合、AC277V入力で動作するデバイスにLittelfuseの36911000000ヒューズを使用することができます。
表2：LS-R3シリーズの入力範囲は、AC85～305Vです。ヒューズの選択は、パワーコンバータが使用される実際のグリッド電圧に基づいて行います。(表提供：Mornsun)
前述のとおり、LS-R3シリーズには、DC3.3V出力のLS03-13B03R3のような3Wコンバータから、DC24V出力のLS10-13B24R3のような10Wタイプまであります。3W、5W、10Wの3シリーズすべてに対し、出力電圧DC3.3～24Vのモデルが用意されています。以降の説明では、LS05-13BxxR3シリーズの5Wコンバータをベースとした設計例を紹介します。
基本的な設計はヒューズから始まり、Vishayが提供する12Ω、3WのAC03000001209JAC00などの巻線抵抗器を追加して突入電流を低減し、限定的なレベルのサージ保護を行います。また、Rubyconが提供する22μF、450Vの450BXW22MEFR12.5X20などの入力コンデンサ、Nichicon が提供する270μF、16VのRS81C271MDN1などの基本的な出力フィルタコンデンサを追加していきます(図2)。
この基本的な実装は、EMSレベル3を満たしますが、より厳しいEMIやEMSの仕様を満たすことはできず、非常に基本的な性能を必要とする最もコスト重視の設計のみが対象となります。ヒューズにもよりますが、AC85～305Vの入力で動作し、絶縁されたDC出力を生成します。最小限の出力フィルタリングのため、EMIやEMSのほとんどの仕様を満たしておらず、出力リップルも比較的大きくなります。
図2：このコスト重視の基本設計はEMSレベル3を満たし、4つの外付け部品(左の黒い部品：ヒューズ、中央の黒い円柱：入力コンデンサ、入力コンデンサの左：入力抵抗、右の白い円柱：出力フィルタコンデンサ)で構成されています。(画像提供：Mornsun)
より多くの出力フィルタリングと高いレベルのEMI性能を必要とする設計には、3つの部品を追加することができます(図3)。コンバータの一次側と二次側をまたいで配置された「Y」コンデンサは、ノイズを大幅に低減し、EMI性能を向上させます。注：IEC/EN60335(家庭用電化製品)に適合させるためには、2つ目の「Y」コンデンサを追加する必要があるかもしれません。
Piフィルタを追加することで、出力リップルを大幅に低減できます。これは、基本設計の出力コンデンサを使用し、Rubyconの35THV47M6.3X8(定格47μF、35V)のような電解コンデンサと、インダクタを追加することで実現できます。
図3：この第2レベルの設計では、一次側と二次側の間に「Y」コンデンサ(青色の部品)を追加してノイズやEMIをさらに低減し、Piフィルタ(元々の白い出力コンデンサに、電解コンデンサ(右上の黒い部品)とインダクタ(電解コンデンサの下のグレーの部品)を追加して設計)を組み込んで出力リップルを低減します。(画像提供：Mornsun)
クラスAまたはクラスBレベルのEMIとレベル4のEMS性能を必要とする設計も、LS-R3コアのプリント基板を使用して実現することができます(図4)。入力に差動モードのインダクタを配置することで、クラスAのEMI要件を満たすことができます。
図4：差動モードの入力インダクタ(L1、プリント基板下部の黒い円柱)を追加することでクラスAのEMI制限に対応し、さらに「X」コンデンサ(CX1、中央左の黄色い部品)を追加することでクラスBのEMIに対応し、AC入力にバリスタ(MOV1、左上の青い部品)を追加することでレベル4のEMSに対応します。(画像提供：Mornsun)
クラスBのEMI制限は、TDKの B32671Z6104K000(0.1μF、630Vのラジアルフィルムデバイス)のような「X」コンデンサを追加することで満たせます。レベル4のEMS性能は、TDKのB72214S0351K101酸化金属バリスタ(MOV)のようなバリスタを挿入することで実現できます。
EMI(CISPR32/EN55032)クラスBレベル、EMS(IEC/EN61000)EFT±4kV、サージ±2kVを満たすことができる完全な回路を、図5に示します。
図5：EMI(CISPR32/EN55032)クラスBレベル、EMS(IEC/EN61000)EFT±4kV、サージ±2kVを満たすことができる完全な回路図を示します。(画像提供：Mornsun)
図5において、CY2は前述した2つ目のYコンデンサで、家庭用電化製品のIEC/EN60335を満たすために必要となります。LDMは差動インダクタです。
基板レイアウトの注意点
LS-R3をベースにしたアプリケーション固有の設計が完了したら、今度は周辺コンポーネントを搭載するためのプリント基板をレイアウトします。LS-R3コアのプリント基板は、IEC/EN61558、IEC/EN60335、IEC/EN/UL62368の要件を満たしており、周辺コンポーネントを搭載したプリント基板にプラグインできるように設計されています。
周辺コンポーネントのプリント基板で重要な2つの点は、銅トレースの寸法と重量を正しく指定することと、安全性の要件を満たすために適切な沿面距離とクリアランス距離を確保することです。
銅トレースの最小幅、最小厚、最小重量は、必要な通電容量と銅の最大許容温度上昇に基づいて計算する必要があります。IPC 2221A「プリント基板における基礎設計基準」では、銅の仕様の算出方法など、プリント基板の有機的な設計に必要な情報が記載されています。
沿面距離やクリアランス距離を指定する際には、IEC 60335-1またはIEC 60950-1を考慮する必要があります。定格電圧が単相AC250Vまでの家庭用および類似の電気機器はIEC 60335-1で、情報技術(IT)機器はIEC 60950-1でカバーされています。
クリアランス距離とは、空気を介した2つの導電性部品の間の距離のことです。IEC 60950-1はより厳しい規格で、強化絶縁と150～300Vの使用電圧を考慮した場合、4.0mmのクリアランス距離を必要とし、一方でIEC 60335-1の要件は3.5mmとなっています。
沿面距離とは、表面に沿って続く2つの導電性部品間の最短距離のことです。この場合、IEC 60335-1の方が制限が厳しく、使用電圧が250～300Vの場合、強化絶縁のために8.0mmの沿面距離を必要としますが、IEC 60950-1では6.4mmの沿面距離しか必要ありません。どちらの規格でも、使用電圧が200～250Vの場合、沿面距離は5mmとなっています。
事前設計されたプリント基板
周辺コンポーネントのためにカスタム設計されたプリント基板が必要な場合もありますが、Mornsunはパッケージの要件がそれほど厳しくない場合に向けて、事前に設計されたプリント基板のレイアウトを提供しています。LS05-13BxxR3シリーズをベースにした設計例に対し、Mornsunは基本設計用に2種類、クラスBのEMIとレベル3のEMSに対応した3種類、クラスAのEMIとレベル4のEMSに対応した3種類、クラスBのEMIとレベル4のEMSに対応した3種類という、合計11種類の基板レイアウトを用意しています。
また、各周辺コンポーネントのプリント基板のレイアウトには、その基板の機械的要件に最適化されたBOM(部品表)が付属しています。たとえば、前述のLS05-13BxxR3は、レベル4のEMSとクラスBのEMIに対応していますが、設計者は事前に設計された3種類の周辺コンポーネントのプリント基板レイアウト(およびそれに対応するBOM)から選択できます。
・最小限の高さに最適化：長さ48.5mm、幅32.2mm、高さ17mm
・長さと幅がほぼ同じ寸法になるように最適化：長さ40.5mm、幅37.5mm、高さ23mm
・最小限の幅に最適化：長さ55mm、幅25.3mm、高さ23mm
まとめ
さまざまなアプリケーションやEMCレベルに対応する電源の設計者は、コスト、効率、サイズ、市場投入までの期間など、同様の課題に直面しています。競争力を高め、在庫を最小限に抑えるために、設計者はあらかじめ設計されたコアモジュールを、特定の要件に合わせて簡単にカスタマイズできる必要があります。
このように、LS-R3シリーズは、EMIクラスB、EMSレベル4までの多様なEMC(EMIとEMSの両方)の要件を満たすために迅速なカスタマイズを可能にする、基板実装型のマルチアプリケーションAC/DCコンバータです。さらに、設計済みのプリント基板を利用することで、正しい銅トレース寸法と必要な沿面・クリアランス距離の使用も保証されます。
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