絶縁型電源と非絶縁型電源の相違: 失敗しない正しい選択

PCB設計者としてのキャリアの中で、設計が何らかの規制要件の対象となる時が来るかもしれません。医療、自動車、軍事など、あらゆる分野で自分の設計が精査され、非常に高い基準に縛られるかもしれません。このような規制が施行されると、電源の絶縁（または絶縁の欠如） が突然、非常に人気のあるトピックになることがよくあります。

電源の絶縁とは何で、絶縁型電源とは何なのでしょうか？電源の絶縁とは、基本的にはその名のとおりです。電源がシステム内の残りの回路から絶縁されています。これは電力系統では一般的な手段であり、正当な理由があります。たとえば、非絶縁型電源が医療用PCBに電力を供給している場合、危険な衝撃やサージが電源からデバイスに入り、ユーザー（それから多分患者にも！）に害を及ぼす可能性が高くなります。

設計者とユーザーの安全は、絶縁型電源と非絶縁型電源の違いを理解することにかかっています。ここでは、ラボにあるようなAC電源装置やDC電源装置だけについて話しているわけではありません。多くのデジタルおよび組み込みシステムでは、電源は基板に組み込まれており、単一の集積回路のようには見えません。基板やマルチボードシステムに組み込まれている場合でも、電源の絶縁はエンドユーザーや他の機器の保護に役立ちます。そこで、設計を始める前に、絶縁型電源と非絶縁型電源の違いについて考えてみましょう。

絶縁型電源とは

絶縁型電源は多くの場合、絶縁トランスによって、電力を供給している回路の残りの部分から電気的に絶縁されている電源です。つまり、電力と電圧が、2つのセクションを直接電気的に接続することなく、入力から出力に送られます。これらの電源は、AC主電源からの大きな入力電圧を受け入れ、入力をより低い電圧に変換することができます。後に続くPFC段とおよびレギュレーター段が、出力電流を安定した値に制限するために使用される場合があります。その結果、電源入力での大きな電圧や電流サージから下流コンポーネントが確実に保護されます。

ラボレベルのDC電源やAC電源の場合、ユーザーは絶縁型電源の出力段を操作する必要があります。つまり、配線の抜き差し、フロントパネルの設定の調整、または電源装置の取り扱いが必要になる場合があります。入力を出力から絶縁することで、電源のエンドユーザーが電源を操作する際、感電のリスクが低くなります。絶縁型電源を使用してACをDCに変換するための一般的なトポロジーを以下に示します。

絶縁トランスを使用した、絶縁型電源の出力段のシンプルなトポロジー

上記のトポロジーでは、ACからDCへの変換の一部として，入力部（入力 EMIフィルタリングと整流回路の間）に降圧トランスが示されていますが、多くの場合、特に絶縁型DC-DCスイッチングコンバーターでは、整流段やPFC段の後に配置されます。 一般に、絶縁が必要な高電流スイッチングDC-DCコンバーターでは、絶縁型DC-DC電源設計の手法として、ゲートドライバー回路から供給されるパルス列で一連のハーフブリッジまたはフルブリッジのMOSFETを駆動する必要があります。これは基本的に、共振LLCコンバーターで行われます。この回路からの拍出力は、トランスでより低い電圧に降圧され、コンデンサーバンクで平滑化されます。これは、一般的なタイプの絶縁型DC-DCスイッチングコンバーターであるフライバックコンバーターでも行われますが、トポロジーは異なる場合があります。

上記のトポロジーは、絶縁が実際にどのように実装されているか、全体的な接地手法という重要なことを明示的に示していません。絶縁型電源では、最大3つの接地領域が存在する場合があります。

• 一次接地（PGND）: 変圧器の一次側、つまり電源の入力側の接地領域です。単相または三相ACに接続されている場合、入力EMIフィルター回路の接続として入力側にアース接続が存在する場合もあります（以下を参照）。この接地領域は変圧器の一次側まで続く必要があり、この接地領域の端がシステム内で絶縁が発生する場所を定義します。
• 二次接地 （SGND）: この接地領域は変圧器の二次側から始まり、システムの残りの部分の接地基準となります。この領域は、システム内で浮いたままにしておくこともできますが、高電力系では、二次側が浮遊導体のように作用するため、二次側の接地が電源接地基準レベル付近で振動すると、大きなノイズが生じるおそれがあります。これは、2つのGND領域にまたがるY型キャップを使用してACで抑制されます。
• 筐体（アース）接地（PEまたはGND）: これが絶縁型電力系統に筐体接地がある場合、通常は安全接地になります。絶縁型電源の出力側に接続したり、システムの下流機器や基板の電源回復に接続したりしないでください。シャーシは、障害が発生した場合を除いて、電流が流れる導体であることを意図していません。

「PGND」と「SGND」の指定は必須ではないことに留意してください。技術的には、ネットに好きな名前を付けることができます。実際に、これらの領域をどのように接続してノイズを除去し、DC絶縁を維持しながら安全性を確保するかは、用途によって異なります。これらのシステムの使用を開始するのに役立つリソースを以下に示します。

• 絶縁型電源のPCBレイアウトにおける接地接続の方法
• メッキPCB取り付け穴のPCB接地手法

設計例

以下の画像は、絶縁型電源の設計例を示しています。この電源では、実際には入力と出力の間に2つのレベルの絶縁が適用されています。

• 最初はAC入力側
• プッシュプルスイッチング段と出力の間

最初のAC/DC変換タスクを処理できるリファレンスデザインが複数あるため、AC入力段は以下に示していません。AC整流段からの出力は、スイッチング動作によるコンバーターの電力変換効率の低下を補償するPFC回路 に送られます。絶縁型スイッチング段を以下に示します。

これはLLC共振スイッチングコンバーターで、別の機会に紹介した設計のバリアントです。この共振コンバーターの一次側と二次側の段を切り替える追加のゲートドライバー回路があります。一次接地と二次接地のネットは異なり、安全コンデンサーで接続されているだけなので、このコンバーターが絶縁されていることはおわかりですね。

その他の標準的な絶縁型電源のトポロジーを以下に示します。これは単なるトポロジーです。スイッチング動作をさせるためには、ゲートドライバーも必要です。フィードバックメカニズムは、実際の絶縁型電源でも使用されます。フィードバック回路は出力を測定し、駆動PWM信号を調整して目標電圧を維持するために使用されます。

上記のトポロジーの1つの注意点は、回路が部分的または全体的に集積回路に統合される可能性があることです。これらの集積回路は高いガルバニック絶縁を実現しますが、低ノイズに必要な統合フィードバックとサポート回路を備えています。低ノイズ、高効率が要求される低消費電力システムでの使用が一般的です。

変圧器によるガルバニック絶縁

絶縁型電源は、絶縁トランスを使用して、入力セクションと出力セクション間でガルバニック絶縁を行います。変圧器はただ、各コイルの交流によって生成される磁場を使ってコイル間に電力を送ります。電圧は、変圧器の巻数比に応じて増減します。トランスによる絶縁の利点は、トランスの入力コイルと出力コイルの間に直接電気接続がないことです。両側の導体は互いに接触しません。電力は、誘導を介してデバイス内の2つのグラウンド領域に転送されます。これにより、トランスの下流にあるものはすべて、入力側の高電圧/電流から保護されます。つまり、下流のすべてが「絶縁」されます。

出力電力の監視と制御にフィードバックループが必要な場合は、通常、光遮断器を使って出力を前のレギュレータ段に戻します。この部品は、赤外線ダイオードを使用して、高電力と低電力のレギュレーター段の絶縁を確保します。低電圧/電流で動作する電源の場合、通常は光遮断器を出力に直接接続できますが、より大きな電圧/電流レベルに対応できる光遮断器ICもあります。

絶縁型電源で考慮すべきポイントの1つは、その効率性です。すべての変圧器には、巻線で放散される熱の形と、コアの交互磁化による損失の両方があります。コアに使われている磁性材料（通常は鉄または鉄の強磁性合金）は、入力された交流電流が振動すると、前後に磁化されます。AC入力によって生成される磁場が非常に大きい場合、コアの磁化が飽和する可能性があり、出力電力が制限され（効率性が低下）、コア損失が大きくなります。これは、変圧器の両側の一次電圧定格を決める要因の1つです。

このタイプの変圧器は、大きい絶縁型電源に見られるかもしれません。

絶縁型電源と非絶縁型電源の相違

基板から電源を絶縁するメカニズムがこれでわかったので、設計チェーンから変圧器を外すと、突然、非絶縁型電源になることが明らかになりました。電源を絶縁せずに回路を設計することはよくあることですが、高電力で作業する場合や高速スイッチング電源を使用する場合は、設計の過程でエンドユーザーのことを考慮してください。得意客がなかなか忘れることができない電気ショックを受けた結果、何件か裁判沙汰になるのを避けられるかもしれないからです。

このような非絶縁型電源を設計することには、多くのメリットがあります。まず、筐体に変圧器を取り付ける必要がないため、絶縁型電源設計に比べて基板のスペースが広くなります。低電圧/低電流用の既製の小型変圧器もありますが、スケールアップすると、基板のスペースがさらに広くなります。また、非絶縁型電源を使用すると効率が向上するというメリットもあります。

非絶縁型電源は、設計上、常に感電のリスクが伴います。

非絶縁型電源レギュレーターを絶縁型電源または絶縁型スイッチングレギュレーターの下流に配置するのが一般的であることに留意してください。この方法では、絶縁型電源を高電力ACまたはDC電源に配置して、標準DCレギュレーターICまたは電圧レギュレーター回路にとって十分に安全なレベルまで電圧を下げます。これは少し複雑ですが、安全要件をクリアする適切な保護を行うという利点があります。たとえば、スタンドアロン式の医療用電源（絶縁型）が、下流にある少数の機器（非絶縁型）に給電するような場合です。

どちらが正しい選択肢なのか

まとめると、基板上の電源調整回路は通常、ただの非絶縁型電源になります。これらの回路は、多くの電流を生成したり、非常に高い電圧で動作したりしないため、絶縁が不要な小型レギュレーター回路またはチップから構築されています。高電流で動作する場合でも、ユーザーが感電の危険を伴うような方法でシステムを操作することはないでしょう。したがって、非絶縁型電源は大抵の小型基板に適しています。これは通常、降圧コンバーター、および必要なレベルまで電力を下げるLDOの組み合わせになります。

高電力のACからDCへの変換、または高電力のDCからDCへの変換が必要な場合は、通常、絶縁型電源を使用し、多くの場合、電源は専用の基板で設計されます。次にどうするかは、電源の特性（ACとDC、主電源とバッテリーなど）、筐体の使用方法、電源に接続された下流の回路やシステムで接地がどのように定義されているかによります。

前述のように、絶縁型電源は規制産業で必要とされることが多く、特定の基準を満たす必要があります。例としては、次のものがあります。

• 医療機器用のIEC60601-1安全規格
• IT機器とAV機器用の IEC 62368-1（IEC 60950-1とIEC 6006に代わるもの）
• 一般的なスイッチモード電源に関するIEC 61204-7:2016

一部の規制では、特定の産業規格が規定されていません（21CFR870.3605の心血管装置に関する米国FDA規制など）。ただし、これらの機器が意図した環境で他の電子機器や基本的な安全基準と完全に互換性があることを確認するために、安全性とEMCのテストを義務付けています。

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