負性抵抗とDC-DCコンバータが正常に動作しないかもしれない理由
2021年3月30日、Bruce Rose著 - 7分の閲読
概要
お持ちのDC-DCコンバータが動作せず、明らかな問題（プラグが挿入されていない、電源が入っていない、入力ヒューズが切れているなど）がないことは既に確認済みの場合は、負性抵抗による入力インピーダンスが原因である可能性があります。一般的な解決策は、回路に抵抗を組み込むか、回路からの抵抗をDCブロックすることです。これは、DCコンバータの入力ピンにできるだけ近い位置に適切なコンデンサを配置することで達成されます。
はじめに
多くの人々は既にDC-DCコンバータを購入したことがあり、問題なく機能しています。理想としてはこれが標準のパターンです。しかし残念なことに、DC-DCコンバータが正しく動作しないという経験も少なからずあるはずです。その問題の原因と適切なソリューションを判定してみましょう。問題の原因は、まず基本的なことである可能性があります。コンバータのプラグが挿入されていない、電源がオンになっていない、または入力ヒューズが切れているなどです。この基本的な問題はすべて、比較的発見しやすく、簡単に解決できます。多くの場合、DC入力のスイッチング電源ではこの状況がより複雑になります。すべてが正しく接続され、単純な問題は既に確認済みであるにも関わらず、コンバータは依然として適切な出力電圧を生成しません。このような場合、コンバータに電力を供給するソースの出力インピーダンスと相互作用するDC-DCコンバータの入力インピーダンスが問題である可能性があります。このインピーダンスの問題が存在する場合、コンバータの出力電圧には極めて重要なACコンポーネントを持ち、コンバータの入力電圧は顕著なAC信号も持ちます。
この議論を簡略化するために、DC-DCコンバータの出力に適用される一定のインピーダンス負荷について検討します。一定のインピーダンス負荷に供給される電力もまた一定です。これはDC-DCコンバータからの出力電圧が一定だからです。出力負荷に一定の電力が供給されるということは、一定の電力がコンバータの入力によって消費されるということを意味します。ここから、おもしろいことが始まります! 私たちは、印加電圧とは関係なく（DC-DCコンバータ電力変換効率は一定、コンバータの入力によって引き出される電力は一定、従ってコンバータの入力によって消費される電力は一定）、一定の電力を消費する電力負荷（一定の出力電力負荷を持つDC-DCコンバータ）を作成しました。ご覧のように、印加電圧とは関係なく、一定の電力を消費する負荷があることは興味深い状況と言えます。
負性抵抗
この負荷スタイルでは、DC-DCコンバータに印加された入力電圧が上昇すると入力電流が下がり、コンバータに印加された入力電圧が下降すると入力電流が上がります。この増分電流と電圧が逆方向に移動する状況は、負性増分抵抗の挙動です。もっとよく知られているポジティブな増分抵抗では、印加電圧の上昇は印加電流の上昇をもたらし、印加電圧の低下は印加電流の低下をもたらします。
振動
ここで、負性増分入力抵抗を持つようになる可能性のある効果の1つについて議論していきます。コンデンサとインダクタから構成される回路の動作を理解するとわかりやすくなります。エネルギーがコンデンサとインダクタ回路に印加されると、エネルギーはコンデンサに関連する電界（コンデンサ全体の電圧）とインダクタに関連する磁界（インダクタを通る電流）の間で交換されます。このエネルギーのスワップは、素子を横切る正弦波電圧として表示され、素子を流れる電流、すなわち振動回路の挙動として現れる。
コンデンサとインダクタがある実際の回路では、コンポーネントに関連する寄生抵抗もあります。この寄生抵抗がエネルギーを放出し、最終的に振動が停止します。
負性抵抗と振動
R-L-C回路に負性抵抗が加わると、正抵抗を相殺し、ゼロ抵抗の回路を作り、振動が継続できます。静電容量、インダクタンス、ゼロ抵抗を持つ回路は、DC-DCコンバータの入力で特定の動作条件が正しい（または間違った）場合に発生する可能性があります。DC-DCコンバータの負の入力インピーダンスが、関連する静電容量とインダクタンスの正のインピーダンスを相殺すると、振動が維持されます。
回路の静電容量とインダクタンスは、（意図的または寄生的な）物理的要素であったり、または電源の出力インピーダンスやDC-DCコンバータの入力インピーダンスによって合成される可能性もあるということは理解しておくべきです。合成された負性抵抗や合成された反応性要素などは、たとえばシステム動作条件が合成された要素の値も変えるなどの特性を持っています。この状況下での課題として1つ言えることは、DC-DCコンバータに関連するシステムを正確にモデル化し、どのような動作条件下で振動が発生するかを判断することが難しいということです。この状況における別の課題として、特定の動作条件下で振動が発生することもあり、この振動はその他の動作条件下では存在しません。
減衰振動に対する正抵抗
振動を引き起こす動作条件を予測するのは難しいかもしれませんが、振動が持続しないように、電源の出力とDC-DCコンバータの入力の間に正抵抗を加えるのは比較的簡単です。抵抗を追加するための2つのオプションとして、電源とDC-DCコンバータの間に抵抗素子を直列に配置すること、あるいは電源の出力とDC-DCコンバータへの入力をシャントに抵抗素子を配置する方法があります。残念なことに、これらのソリューションのいずれでも、消費電力は、多くの場合で受け入れがたいレベルの多さです。一般的に使用されている3番目の解決策は、回路に抵抗を結合するか、回路からの抵抗をDCブロックすることです。この結合またはブロッキングの利点は、抵抗がAC信号（振動）に影響を与え、DC信号（希望の電力フロー）に影響を与えないことです。この望ましい抵抗を実装するための一つの方法として、DC-DCコンバータの入力ピンに近い大きな容量値（電力レベルに応じて、10～数百マイクロファラド）の電解コンデンサを配置することが挙げられます。コンデンサの等価直列抵抗（ESR）が回路にAC結合され、持続的な振動を防ぐのに十分なエネルギーを放散する役割を果たします。しかし、DC電力経路からは遮断されるため、DC電力の流れに伴うエネルギーは放散されません。
静電容量のESRは、過剰な電力を放散させないほど小さく、効果的に振動を減衰させるほど大きくする必要があります。最も一般的に入手可能な電解コンデンサは、この用途で機能する正しい量のESRを持っています。超低コストの電解コンデンサは、高すぎるESRを持っていることがあり、そのため過度の電力損失を引き起こす可能性があります。超高コストの電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサはすべて、振動を適切に減衰させるには低すぎるESR値を持っています。
結論
この議論は、DC-DCコンバータの入力における振動を防ぐ方法についての実用的な概要です。DC-DCコンバータの入力インピーダンスと電圧源の出力インピーダンスの理論上の説明については、Venable Instrumentのソース・ロードインピーダンスの解析をご覧ください。
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Bruce Rose
Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。