PFC回路設計と電源システムのレイアウト

私たちが望むように、PCBへの電力入力が常にクリーンなDCや正弦波信号であるわけではありません。整流器からのDCは出力キャパシタからのリップルを含んでいることがあり、AC信号にはノイズが含まれていたり、完璧な正弦波ではないことがあります。これらの問題を修正する方法はいくつかあり、適切なフィルタ回路を選択するか、入力波を整形してシステム内の負荷に最大の電力出力を生み出すことができます。

AC電源システムを扱っている場合、電源での電流/電力の引き下げを行うか、または負荷への利用可能な電力を増加させるために、電力因数補正（PFC）が必要になることがあります。PFC回路はICとして入手可能ですが、高電圧/高電流システムの要求に対応することはできません。電力因数を1に近づけるために、PCB上に独自のPFC回路設計とレイアウトが必要になります。ここでは、独自のPFC回路を設計しシミュレートする方法と、PFC回路のレイアウトのヒントをいくつか紹介します。

電力因数補正とは何か？

電源の力率は、実際に消費される実効電力と見かけの電力（RMSボルトおよびアンペアで）の比率であり、この数値は0から1の範囲です。ACソースに整流器を接続した電源回路の典型的なスイッチングレギュレータは、入力電圧がそのピークに近づくと小さなバーストで電流を引き出します。入力線から引き出される電流が正弦波電圧波形から逸脱するほど、力率は小さくなります。力率は基本的に電力効率の別の指標です。

例として、レギュレータが96％効率的であると仮定します。全体の電源の力率が60％の場合、実際の効率は96％x 60％= 57.6％になります。PFC回路設計を使用する目的は、力率をできるだけ1に近づけることです。力率が1に近づくと、実際に消費される実効電力は、理想的なRMS入力電圧および電流を使用して計算する見かけの電力に近づきます。

新しい製品をヨーロッパで販売する予定がある場合、電源にPFCを適用することを確認する必要があります。最も重要な規制はEN61000-3-2で、少なくとも75Wの入力電力を持ち、サービス入口で最大16Aまで引き出す電力システムに適用されます。この規制は、レギュレータの入力で測定された39番目の高調波までの全高調波歪み（THD）にも制限を設けています。これはPFC回路のもう一つの利点を示しています。より大きな電力因数を持つ電源は、DCレギュレータの入力でTHDがほぼゼロになります。

PFC回路設計とトポロジー

PFCコンバータは、ブーストまたはバックトポロジーで実装できます。バックブーストトポロジーもありますが、入力電圧を通常、上げたり下げたりして一定レベルで調整する必要があるため、これほど人気はありません。バックとブーストの2つのバージョンは以下に示されています。これらの回路図が標準的なバックまたはブーストDC-DCコンバータから期待されるものと一致するなら、正解です！全体の回路図は同一ですが、これらの回路のコンポーネント選択が回路によって提供される電力因数の増加に影響を与えます。

PFC回路が一般的なスイッチングレギュレータと何が違うのか？PFC回路設計における重要な点は、適切な動作モードを選択することであり、これにはこの回路で正しいインダクタを選択することが含まれます。インダクタは、MOSFETがオンの間に入力電圧が上昇するにつれてインダクタを通る電流がどれだけ速く増加するかを決定します。MOSFETがオフに切り替えられると、インダクタは逆起電力を提供し、それによってより多くの電流を負荷に向けます。

インダクタのリップル波形は、一般的なスイッチングレギュレータの場合と同様に、インダクタのサイズによって決まります。インダクタが小さいほどリップル波は大きくなります。波形の制御は、MOSFETにPWMまたはPFMパルスを適用することで維持されます。以下に示される3つのPFC回路モードは、インダクタのサイズとMOSFETに適用される変調の種類によって決まります。以下の表は、各モードでの変調と電流特性をまとめたものです。

スイッチングMOSFETにPWMまたはPFMを適切に提供するためには、PWM/PFMコントローラーへのフィードバックループを実装する必要があります。この目的に使用できる特殊なICもありますが、高電圧でも使用できます。

PFCレイアウト：高出力スイッチングレギュレータのように扱う

スイッチングコンバータを使用する際に最も重要な点は、スイッチングノイズからの隔離を考慮することです。ノイズの多いスイッチングレギュレータやPFC回路からのノイズは、特に高電流時には強力な磁場を発生させ、下流回路にノイズ信号を誘導する可能性があります。絶縁隔離は導電性EMIを除去しますが、放射性EMIは除去しないため、低レベル回路において誘導ノイズを防ぐための隔離構造、例えばビアフェンスやシールディングが必要になります。これは、高電圧供給および低電力電子機器のレギュレータICにおける電源設計において、長年よく知られた問題です。

考慮すべき他のポイントには、PWM信号またはPFM信号の設計、スタックアップ設計、および放射性EMIを減らすためのその他の技術があります。高電圧で作業する場合は、PCBレイアウト内の導電性要素間の適切な間隔を設定して、ESDを防ぐことも必要になります。これらのクリアランスはIPC-2221規格で定義されています。さらに学ぶためにこれらの記事をご覧ください：

• SMPS回路設計：どのスイッチング周波数を使用するか？
• IoT製品におけるDC-DCコンバーターEMIの抑制技術
• インタープレーン容量とPCBスタックアップ
• 高電圧設計用のIPC-2221計算機の使用

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