Altium DesignerでAC/DCコンバータ回路を設計する方法

AC/DCコンバーター回路は、その名前が示すとおり、高調波AC入力を受け取り、それをDC出力に変換します。これらの回路は単に高レベルからで、ブレッドボード上で低電力で動作する場合、実際のAC/DCコンバータ回路は単なる変圧器と整流器回路に比べてもっと複雑です。これらの回路に適切なコンポーネント/部品を見つけて正確な電力シミュレーションを実行するには、強力な回路設計ツールを含む適切なPCB設計ソフトウェアが必要です。

電源、レギュレーター、変換器を設計する必要がある場合や、その他の電源システムを設計する必要がある場合でも、Altium Designerには必要な設計ユーティリティが備わっています。Altium Designerの最も優れている点は、PCB設計に必要なすべてが単一のプログラムに含まれている統合設計環境であることです。AC/DCコンバーター回路と電源システムに必要なその他のサポート回路の設計についての詳細は、当社のガイドをお読みください。

Altium Designer

強力なPCBエディターとSPICEシミュレーションパッケージを備え、回路設計機能を統合したPCB設計パッケージ。

壁面電源に接続するほぼすべてのデバイスは、壁面からのAC電力を、集積回路で使用できるDC電力に変換する必要があります。これは、多くの製品がAC/DCコンバーター回路に加えて、電力レギュレーター、PFC回路、高効率電力変換のための制御回路などの他の回路を必要とすることを意味します。成功に向けて準備を整えるには、適切な設計戦略が必要であり、システムのさまざまな部分を統合して完全な製品にする必要があります。

量産グレードの電源システムには安全で機能的なレイアウトが必要であり、設計が意図したとおりに動作することを確認するためにシミュレーションで検証する必要もあります。統合設計パッケージを使用すると、電力コンバータの回路図、高品質なPCBレイアウト、回路シミュレーションを1つのプログラムで作成できます。

AC/DCコンバーター回路を設計する

AC/DCコンバーター回路は整流に依存しており、入力AC電力が残留リップルのある不安定なDC出力に変換されます。AC/DCコンバーター回路に含まれる基本コンポーネントは次のとおりです。

• 変圧器: これは、システムの負荷に適した値までグリッド電力を増減します。変圧器の巻数比によって、ダイオードブリッジとコンデンサーへの電圧と電流の出力が決まります。
• ダイオードブリッジ整流器: この小さな回路は、AC入力信号の絶対値を受け取り、単一極性の時変信号を生成します。設計要件は、ブリッジ整流回路のダイオードが順電流を超えて動作することです。
• コンデンサー: 大きなコンデンサーは、整流されたAC信号を安定させ、リップルが残ったDC電圧を生成するフィルターとして使用されます。実効直列抵抗がより小さく、コンデンサーがより大きいことが、高い充電容量と放電の高速度を確保するのに理想的なコンポーネントです。

このコンポーネント/部品のリストは、AC/DCコンバータ回路を作成するために最低限必要なもので、以下が一つの例です。設計するAC/DCコンバーターは、実際のコンポーネントデータとシミュレーションモデルを使用して強力な回路図エディターで作成する必要があり、その作業を行うには最適な設計ソフトウェアが必要です。

実際のコンポーネントを使用してAC/DCコンバータ回路の回路図を作成する

AC/DCコンバータ回路の設計には、コンポーネントライブラリとPCBサプライチェーンへの接続が統合された最高の回路図設計ツールを必ず使用してください。Altium Designerの回路図エディターには、使いやすい強力なSPICEシミュレーションエンジンが含まれており、コンポーネントモデルから直接電気データを取得できます。1つのプログラムですべてにアクセスできるため、高品質の電力コンバータを設計し、その設計を迅速かつ容易に検証できます。

• Altium Designerには、AC/DCコンバーター設計を検証し、高効率の電力変換を保証するために必要なSPICEシミュレーション機能が含まれています。

  Altium Designerでパワーエレクトロニクスを使用してSPICEシミュレーションを実行する方法の詳細をご覧ください。

• より複雑な電力変換回路を設計する必要がある場合は、最適な階層型回路図エディターを使用すると、整然と作業を進められます。

  階層回路図設計の詳細をご覧ください。

• 変圧器は常にAC/DCコンバーターの入力に使用されますが、絶縁型電源を構築するためにスイッチングレギュレータ回路でも使用されます。

  絶縁型電源と非絶縁型電源の比較についてはこちらをご覧ください。

Altium Designerで作成された、変圧器とダイオードブリッジ整流器を備えた基本的なAC/DCコンバータ回路。

パワーエレクトロニクスでの高効率変換を実現する

すべてのパワーエレクトロニクスは、高い電力変換効率を確保するように設計される必要がありますが、多くの場合、これには単なる全波ブリッジ整流回路以上のものが必要になります。特にレギュレーター回路に電力を供給する場合、低ノイズで高効率の電力変換を確実にするには、追加のコンポーネントと回路が必要です。ACからDCへの変換は電力調整方法の一部にすぎず、電力変換中の損失とノイズを最小限に抑えるためにシステム全体を考慮する必要があります。

ほとんどのシステムにとって最も効率的な電力調整方法は、特に壁面電源から電力を供給するAC/DCコンバータ回路を設計する場合に、スイッチングレギュレーターを使用することです。電力変換に必要な追加回路には、以下のようなものがあります。

• 電力変換装置の出力電圧レギュレーターの段階によって引き出される電流を平準化する力率補正回路、つまりPFC回路。
• システムの入力側と出力側で伝導EMIを除去するためのEMIフィルタ (通常は同相モードチョーク)。
• レギュレーターのパラメーターを調整し、必要なレベルで安定した電力出力を確保ためのPWMドライバーとフィードバックループ。
• 低ノイズの出力電流を提供できる標準トポロジーのスイッチング電力レギュレータ。

これらの追加回路とAC/DCコンバータ回路セクションのそれぞれをPCBレイアウトに取り込む必要があります。回路を構築し、システムの回路基板レイアウトを作成するために別のプログラムを使用すべき理由はありません。複数の設計プログラムをリンクする代わりに、パワーエレクトロニクス設計に必要なものがすべて含まれる唯一のプログラムである、Altium Designerを使用してください。

電力変換システムに最適なPCBレイアウトを作成する

電力変換器と電圧レギュレーターの回路図を空の回路基板レイアウトに取り込んだら、コンポーネントの配置とトレースの配線を開始できます。Altium Designerの最高のPCBレイアウト機能により、これらのタスクが簡単になり、これらのツールは回路設計とシミュレーションユーティリティと同じプログラムで使用できます。Altium Designerを使用すると、生産性を維持しつつ、最高品質のエレクトロニクスを設計できます。

• AC/DCコンバータ回路の入力にあるEMIフィルタは、DC出力のノイズを低減する上で重要な役割を果たします。

  電力コンバータ用のEMIフィルタの設計とシミュレーションについての詳細をご覧ください。

• AC/DCコンバータがスイッチングレギュレーターにDC電力を供給している場合は、入力信号の電流スパイクを平準化するためにPFC回路が必要になる可能性があります。

  PFC回路の設計と解析について詳細をご覧ください。

• レギュレーター回路で生成または受け取ったノイズは増幅され、出力に伝搬する可能性があります。電力変換器でこのようなことが起きないようにしてください。

  電源装置のノイズマージンの分析についての詳細をご覧ください。

Altium DesignerでAC/DCコンバータ回路、レギュレータ段階、PCBレイアウトを設計します。

AC/DCコンバータのレイアウトを仕上げて部品を調達する

PCBレイアウトでAC/DCコンバーター回路と他の電力レギュレーター回路を作成したら、部品を調達し、一連の製造ファイルを使用してプロジェクトを完成させるタイミングです。回路基板設計ソフトウェアには、製造の準備に役立つ包括的なPCB製造機能のセットが含まれている必要があります。Altium Designerには、これらのPCB製造機能と他の製造ツールが1つのプログラムに含まれていてPCB設計ソフトウェアとして最適な選択肢です。

電力変換器の設計を実現するには、サプライチェーンを検討し、設計に必要なコンポーネントを調達することも必要です。部品製造業者からエレクトロニクスサプライチェーンのデータに直接アクセスできる場合、システムを予定どおり、予算内で生産できることが保証されます。Altium Designerには、必要なコンポーネント/部品を見つけて、部品表に直接調達データをインポートするのに役立つ調達ツールが含まれています。

Altium DesignerのPCBレイアウトツールを使用して電源設計を仕上げる

他のPCB設計プラットフォームと比較してAltium Designerの主な利点は、電源回路の設計とレイアウトに必要なすべてが単一のプログラムに含まれる統合設計インターフェースである点です。Altium Designerは、単なる回路設計とシミュレーションソフトウェアではなく、製品開発向けの業界で最も強力なPCB設計アプリケーションです。他の設計プログラムでは、PCB設計タスクごとに個別のアプリケーションを使用する必要がありますが、Altium Designerは、最先端テクノロジーの設計時に生産性を維持するのに役立ちます。

• Altium Designerは、単一のアプリケーションで電力コンバータ回路とPCBレイアウトを迅速に設計できる唯一のルール駆動型設計です。

  Altium Designerの統合設計環境について詳しく説明します。

• AC/DCコンバータ回路は、電力システムの一部にすぎません。Altium Designerの回路設計とシミュレーション機能は、パワーエレクトロニクスのあらゆる部分の設計に役立ちます。

  Altium Designerの電圧レギュレータプロジェクトの例を参照してください。

• Altium 365を使用すると、Altium DesignerまたはWebを通じて、リモートのチームメンバー、顧客、メーカーとプロジェクトを共有し、共同作業することができます。

  プロジェクトデータをAltium 365と共有する方法について詳しく説明します。

Altium Designerでパワーエレクトロニクスを設計し、部品を調達し、PCBレイアウトを作成します。

パワーコンバーターを構築するために、PCBレイアウト、シミュレーション、回路設計のために別個のプログラムを使用する必要はありません。Altium Designerの最高のPCB設計とレイアウトツールを使用すると、あらゆるトポロジと電力コンバータの電源回路を作成できます。Altium Designerを使用して生産性を維持し、最先端のテクノロジーを作成します。

Altium 365上で実装されるAltium Designerは、ソフトウェア開発の分野において前例のない規模で電子機器業界との統合を実現しており、設計者は自宅でも前例のないレベルの効率性をもって作業を進めることができます。

ここでは、Altium 365とAltium Designerでできることについて、その一部を紹介したに過ぎません。より詳細な機能の説明については、製品ページまたはオンデマンドのWebセミナーをご覧ください。