複数の出力電源を使用した設計
2020年3月17日、Ron Stull著 - 6分の閲読
はじめに
多くの電子機器アプリケーションでは、さまざまな内部回路を供給するための複数の電圧を必要としています。ファンやモーター、そしてロジックや処理に至るまで、48 V以上から1 V以下まで様々な電圧が必要になります。各レールの個々の電源またはDC-DCコンバータを使用する代わりに、複数の出力を持つ単一電源を使用することが有利となることはあります。これによって、一部のアプリケーションでは、時間、スペース、お金の節約につながります。複数出力のコンバータが特定のアプリケーションに適しているかどうかを判断するために、複数の出力が作られる方法とそれぞれの構成を理解します。
複数の出力を作るための方法
電源はさまざまな方法で追加出力を作ることができます。複数の出力を実現する方法が実行可能かどうかは、パフォーマンスや互換性に基づいてアプリケーションによって異なります。
2次巻線を使った変圧器
複数の出力を得るための最も簡単な方法は、変圧器またはチョークに2次巻線を加えることです。変圧器の2次巻線の電圧（Vsec）は、巻数比（n）を通じた1次電圧（Vpri）に関連しています。この巻数比は、1次巻数（Np）に対する2次巻数（Ns）の比率です。これは式1と2に図示されています。
例えば、1次電圧が120 V、2次側の巻数比が0.1の場合、2次電圧は12 Vになります。24 Vの2次出力は、0.2の巻数比を持つ追加の2次巻線を追加することで得ることができます。
2次巻線を使った連結チョーク
変圧器ではなく、フライバックなどの連結チョークを使用するトポロジーでは、1次側と2次側との間の関係は式1には従いません。ただし、2次電圧と巻数比との間の関係により、追加の出力を加えることは同じくらい簡単になります。メイン出力電圧（Vout1）を式1のVpri、そして追加出力（Voutn）を要求電圧に置き替えることで、1次側から2次側への関係が変化したとしても、必要な巻数比を計算することができます（式3）。
レギュレータおよび追加のコンバータ
もう一つの可能性として考えられるのは、メイン出力から電力を供給するレギュレータまたは絶縁型DC-DCコンバータを追加することです。このようなスキームの入力はすでに1次電圧から絶縁されており、電圧はすでに降圧されていることから、追加のコンバータは、プライマリから追加電圧を変換するよりも、小型かつ低コストにすることができます。
考慮事項と実現可能性
追加出力がどのように派生されたかによって、複数の出力がアプリケーションで動作する方法や、特定の方法を使用する必要があるかどうかなどに影響を与えるいくつかの要因があります。
絶縁
最初に注意すべきことは、出力がどのように絶縁されているか、もっと詳しく言えばそれらが互いに絶縁されているかどうかです。一般的な構成は、センタータップ付き変圧器です。この構成では、2次巻線の中心点で2つの電圧を取り出します。それぞれの電圧は、巻線全体に見られる電圧の半分に相当します。この構成は、オペアンプのようにプラスの電圧とマイナスの電圧が必要な場合は便利です。センタータップを出力アースとして使用することで、プラスとマイナスの出力が得られます。この構成の出力はすべて1次側から絶縁されていますが、互いに絶縁されていません。つまり、これらの出力は同じ地電位を参照していることを意味し、異なるアースに戻る電源回路をお互い分離できないことを意味します（図3）。この共有されたアースは、中心タップ出力に固有ですが、巻線のリターンは結合している可能性があります。このため、これらの出力は互いに非絶縁となります。例えば、Vsec1とVsec2（図3の下）のマイナス端子は結合している可能性があり、互いに非絶縁のままになります。
共有型アースを持つ出力は、一部のアプリケーションでは有益ですが、その一方、共有型アースは問題を生じる可能性があります。異なるリターンポテンシャルで複数のレールを給電するには、それらの出力間で絶縁が必要です。たとえば、ハイサイド・ゲート・ドライブのような回路に給電するには、リファレンスが固定されておらず、回路のアースに結合されていない浮遊出力が必要となります。アースのリファレンス出力もアプリケーションで必要な場合は、2次出力を1次出力から絶縁する必要があり、従ってセンタータップ付き構成は使用できません。
レギュレーション
留意すべき次の項目は、2次出力の規制です。多くの場合、積極的に規制されるのはメイン出力のみです。このメイン出力周辺ではこのクローズド・フィードバック・ループとなり、その他のすべての出力がここにパッシブに関連付けられます。このことから、追加レールの許容値は、規制されている出力よりも多少低くなることがあります。クローズド・ループがなく、さらに非安定化の出力は、メイン出力の負荷によって影響を受けます。軽度の負荷では、出力間のカプリングが減少します。このことから、追加電圧をトレランス内に維持するために、メインレールには最小負荷が指定されています。センタータップ付き出力の規制は、バランスの取れていない負荷によって影響を受けることもあります。最適なパフォーマンスを得るためには、各出力の負荷はできるだけ同等に維持してください。上述の通り、外部レギュレータまたはDC-DCコンバータをこれらの出力に対して適用し、規制を改善することができます（図4）。
電力定格
最後の考慮事項は、総出力電力です。複数の出力が関与する場合、全出力の総電力を計算し、この値が最大電力仕様内にあることを必ず確認しなければなりません。電源によって、このメイン出力電圧の電力定格に追加レールの負荷が含まれたり、含まれなかったりします。追加出力が使用中の場合、出力電力は、メインレールの電力定格から差し引かなければならないことがあります。
結論
現在の電子システムでは、多くの場合、さまざまな回路やコンポーネントに給電するために複数の電圧が必要になります。これは各レールを個別に給電するために複数の電源を使用する代わりに、複数出力を持つ電源を使用することで時間、スペース、お金を節約できます。ただし、一部のアプリケーションでは、他で問題が生じる可能性があります。これらの出力の動向や関係を理解することは、設計を成功させるために重要です。CUIは、幅広い複数出力電源を提供し、お客様のアプリケーションに最適な一台を見つけるためのお役に立ちたいと考えています。
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Ron Stull
Ron Stullは2009年にCUIに参入して以来、アナログおよびデジタル電源、そしてAC-DCおよびDC-DC電力変換の分野で知識と経験を積み重ねてきました。彼はこれまで、アプリケーションサポート、テスト、検証、設計などの責任者としてCUIのエンジニアリングチームで重要な役割を担ってきました。Ronは、電力エンジニアリング以外では、ギターを弾いたり、ランニングをしたり、アメリカの国立公園をすべて訪れることを目標に妻とアウトドアを楽しんでいます。