基板実装型AC/DC電源で国際規格に高いコスト効率で準拠
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
2021-05-11
マルツ掲載日：2021-09-06
3～20Wの基板実装型AC/DC電源は、IoTや産業用IoT(IIoT)、インダストリ4.0、産業用オートメーション、オーディオビジュアル機器、情報処理装置(ITE)、スマートハウス/ビル、民生機器/白物家電など、ますます多様なアプリケーションで使用されています。
そこで低ワットのAC/DC電源を設計してみたいと思うかもしれませんが、そのプロセスは一見するよりも複雑で時間がかかるものです。設計では、広い入力電圧範囲、ピーク電力供給、高電力密度など、厳しい性能要件を満たす必要があります。また、安全性、効率性、待機電力、電磁両立性(EMC)に関する様々な国際規格への適合が求められます。
市販製品を使用すると、市場投入までの時間を短縮することができます。その理由は、関連するすべての国際的性能規格に準拠した小型の基板実装型AC/DC電源を使用できるからです。こういった効率的な電源は、広い入力電圧範囲を持ち、AC入力とDC入力に対応しているため、柔軟性と世界的な互換性を備えています。
この記事では、一般的なAC/DC電源アプリケーションに関する注意事項を簡単に説明します。その上で、RECOM Powerの RACxx-Kシリーズの3つの基板実装型AC/DC電力変換オプションの例を挙げ、各製品の主な特長や利点、そしてそれらの応用方法を明らかにします。
AC/DCコンバータの組み合わせ
AC/DC電源は、直列や並列に接続することで、より高い電力レベルで冗長なホットスワップ操作が可能になります(図1)。
図1：2台のAC/DCコンバータを直列に接続して高電圧化(上)、または並列に接続して大電流化・冗長化(下)することができる。(画像提供：RECOM Power)
並列接続された電源(図1の下側の構成)を使用することで、大電流化を実現したり、冗長化によって信頼性を向上したりすることができます。両方の電源が定格上限の出力電流やそれに近い状態で動作する場合は、より高い電流を提供できます。出力電圧は変わりませんが、有効電流が増えるので、出力電力がアップします。
冗長電源構成は、システムの信頼性を高めるために複数の電源を使用するものであり、有能電力レベルを上げるためのものではありません。冗長構成にはいくつかの形態があります。あるトポロジでは、システムは、通常動作時には「1次」電源のみから電力を引き出し、1次電源が故障した場合には「バックアップ」電源に自動的に切り替わるように構成されています。
N+1の冗長化も、電源の信頼性を高めるためによく使われるトポロジです。N+1システムは、2つ以上の電源で構成されています。図1では、下段の構成がN＝1の冗長アーキテクチャとして使用できます。この場合、通常動作時には各電源は50%の容量で動作し、他方の電源が故障した場合には一方の電源が全負荷電力を供給することができます。
電源を並列にして有能電力を増やす代わりに、電源を直列に接続して有能電力を増やすことも可能です(図1の上段の構成)。この例では、両方の電源が同じ出力電圧VOを持ち、直列構成で2VOを実現しています。負荷に流れる電流は変わらないので、電圧を2倍にすると有効電力も2倍になります。
図1では、いずれの構成も、電源の出力を分離するために、OR接続ダイオードを使用しています。いずれかの電源が故障しても、OR接続ダイオードがシステムを致命的な故障から守ります。OR接続ダイオードの電流定格は電源の出力電流定格より大きく、降伏電圧は電源の出力電圧より大きいことが必要です。
AC/DC入力に関する注意事項
機能を追加するために2台以上のAC/DC電源の出力を接続する方法はいくつかありますが、2台のAC/DCコンバータの入力を接続して入力電圧範囲を広げることはできません。このため、ワイド入力(別称：ユニバーサル入力ト)AC/DC電源の普及が進んでいます。また、AC/DC電源の入力では、ヒューズの保護も重要な注意事項です(図2)。
図2：通常はシングル入力ヒューズを使用する(上)が、入力が極性化されていない場合は、両方の入力ラインにヒューズを入れることができる(下)。(画像提供：RECOM Power)
一般的には、時間遅延(別称：スローブロー)ヒューズの使用をお勧めします。AC入力が極性化されていない場合、ヒューズは両方の入力ラインに接続することができます。単相AC/DC電源の標準的な推奨ヒューズサイズは、40W未満の出力では1.5A、40Wより大きく60W未満の出力では2A、60W以上の出力では3Aです。
AC/DC電源に接地端子(FG)がある場合は、安全な接地ポイントにアースする必要があります。－VOUT出力電圧をFGに接続することで、+VOUT出力の基準をグランドとすることができます。設計者は、電磁妨害(EMI)をさらに低減するため、しっかりとした接続を保証するために、短くて太いインターコネクトを指定する必要があります(図3)。
図3：出力電圧をアースに接続して出力の基準をアースとすることができる。(画像提供：RECOM Power)
3WをIoT、IIoT、家庭用アプリケーション用に使用
3Wの電力を必要とするIoT、IIoT、家庭用アプリケーションの設計者向けに、RECOMは、厳格に制御された12VのDC出力を1つ提供するAC/DC電源「RAC03E-12SK/277」を提供しています(他のモデルでは、3.3～24VDCの出力が利用可能です)。
国際認証を取得したこれらの電源は、85～305VACまたは拡張された120～430VDCのワイド入力電圧範囲を備え、ErPの待機電力要件に適合しています。RAC03E-K/277シリーズは動作温度範囲が広く、自然対流冷却で－30℃〜＋75℃の範囲で全出力電力を提供します(ただし、3.3V出力のユニットが全出力電力を提供するのは+70℃まで)(図4)。
図4：RAC03E-K/277シリーズのデバイスは動作温度範囲が広く、－30℃～+75℃で全出力電力が得られる(除く：全出力電力が得られるのが+70℃までの3.3V出力のユニット)。(画像提供：RECOM Power)
これらの電源は、1.45インチ×0.95インチのフットプリントを実現するとともに、15.4ミリと薄型です。入力と出力の間に4kVACの絶縁があるため、ワールドワイドなアプリケーションに適しており、以下の規格に適合しています。
・UL/IEC/EN62368-1 認証取得済み
・CAN/CSA C22.2 No.62368-1 認証取得済み
・EN60335-1 (申請中)
・EN62233 (申請中)
・IEC/EN61558-1/2-16 (申請中)
・EN55032/EN55035準拠
10Wをプロセスオートメーションとスマートビルディング用に使用
10Wの5VDC出力AC/DC電源 RAC10-05SK/277の140％ピーク電力能力は、プロセスオートメーションやスマートビルディングアプリケーションなど、誘導性の高い起動電流や非線形負荷を持つシステムの過渡的な電力ニーズをサポートします(図5)。このプリント基板実装型AC/DC電源は、産業用と家庭用の両方の国際安全規格を取得しています。
図5：10WのAC/DC電源RAC10-05SK/277は産業用と家庭用の両方の規格で国際的な安全認証を取得している。(画像提供：RECOM Power)
10Wモデルでは、3.3～24VDCのシングル出力電圧バージョンと、±12VDCと±15VDCのデュアル出力電圧バージョンを用意しています。これらの電源は、固定設備で使用される産業用システム向け、および機器の信頼性と可用性が特に要求される場合向けであるIEC62477-1電源過電圧カテゴリIII(OVC III)に該当します。
このような設備の電源は通常、AC配電盤に永久的にハードワイヤで接続されます。これらのAC/DC電源は、前述の3W RAC03E-K/277と同様に、85〜305VAC、120〜430VDCと非常に広い入力電圧範囲を持ちます。
無負荷時超低電力の20W電源
IoTデバイスやスマートデバイスの設計者は、20WのRAC20-KシリーズのAC/DCモジュールを使用することで恩恵を受けることができます。たとえば、RAC20-48SKバージョンでは、48VDC出力を行い、常時オンおよびスタンバイモードのアプリケーションにおいて、わずか40mWの無負荷時電力消費を実現しています。
これらの電源はErP指令の区画6「スタンバイモード」への適合性を備え、電源の入力範囲には、85～264VACのワイドタイプと、85～305VACまたは120～370VDCのエクストラワイドタイプがあります。これらの電源の改良版は、IEC62477-1の電源カテゴリOVC IIIに該当しています。
これらのプリント基板実装電源では、5～48VDCのシングル出力電圧バージョンと、±12VDCと±15VDCのデュアル出力電圧バージョンを用意しています。RAC20-05SKの5Vバージョンのグラフ(図6)に示されているように、これらの電源は軽負荷時でも全負荷時でも高い効率を発揮します。
図6：RAC20-05SK(5V出力モデル)の「出力負荷に対する効率」曲線は、軽負荷時でも全負荷時でも効率が高いことを示している。(画像提供：RECOM Power)
RAC20-48SK AC/DC電源は、追加のフィルタ処理を行わなくても、EN 55022クラスB伝導エミッション要件に適合しています。動作温度範囲は－40℃～+85℃で、産業機器、オーディオビジュアル機器、情報機器などに関する国際安全規格の認証を取得しています(*：エクストラワイド入力モデルは申請中)。
・IEC/EN62368-1 認証取得済み
・UL62368-1 認証取得済み
・CAN/CSA-C22.2 No.62368-1-14 認証取得済み
・IEC/EN60335 認証取得済み*
・IEC/EN61558-1 認証取得済み*
・IEC/EN61558-2-16 認証取得済み*
・IEC/EN61204-3 準拠*
・EN55032/14 準拠*
・EN55024 準拠*
1つの出力から2つの出力
前述のように、3WのRAC03E-K/277はシングル出力の設計のみです。10WのRAC10-05SK/277と20WのRAC20-48SKのAC/DC電源は、シングル出力とデュアル出力があります。ただし、デュアル出力の構成は±12VDCと±15VDCのみです。
アプリケーションによっては、異なる出力電圧の組み合わせが必要な場合もあります。このような場合、設計者は、シングル出力のAC/DC電源と、より低い電力のDC/DCコンバータやスイッチングレギュレータを組み合わせて、補助的な出力電圧または負の出力レールを提供することができます(図7)。
図7：スイッチングレギュレータ(R-78xx、上)またはDC/DCコンバータ(下)をAC/DC電源と組み合わせて、補助出力電圧(上)または負電圧レール(下)を生成することができる(画像提供：RECOM Power)
EMIフィルタリングの強化
今回取り上げたRECOM RACシリーズ AC/DC電源は、いずれもEN 55022クラスB伝導エミッションに適合したラインフィルタを内蔵しています。より要求の厳しいアプリケーションでは、追加のフィルタリングが必要な場合があります。外部フィルタを追加する場合は、中心点から複数の電気通信ケーブルが分配されるスター型のアース配線トポロジを採用し、外部フィルタとコンバータ間のケーブルをできるだけ短くする必要があります(図8)。
図8：RECOM RAC AC/DC電源はEN 55022クラスB伝導エミッションに適合している。必要に応じて外部フィルタを追加することもできる(画像提供：RECOM Power)。
まとめ
低ワット数の基板実装型AC/DC電源は、ニーズが高まり続けていますが、複雑なシステムであることに変わりはありません。電源の設計、テスト、規制準拠の面に精通していない設計者がゼロから設計すると、時間とコストがかかり、設計スケジュールが遅れて、必要以上にボードスペースを占有してしまうことがあります。
多くの場合、より良い選択肢は、既製のコンパクトな基板実装型AC/DC電源の中から選定することです。説明してきたように、RECOM RAC AC/DC電源には様々な入力電圧範囲があり、ACとDCでの入力に対応しています。さらに、関連するほとんどの国際的な性能規格やコンプライアンス規制にも既に準拠しています。
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(1) IoTおよびIIoT電源の選択と使用に関するガイド
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