電圧変動を防ぐ方法を知っていますか？

電源の問題で最も一般的なタイプの一つが出力電圧の変動です。この問題は、入力電圧の変動、負荷電流の予期せぬ変化、フィードバック制御ループの不具合、スイッチング周波数の問題、コンポーネントの許容差、温度変動、および部品の経年劣化など、さまざまな要因によって引き起こされます。 

この記事では、出力電圧の変動の原因を簡単に探り、これらの問題を解決し、防止する方法についての洞察を提供します。

入力電圧の変動

電源（またはレギュレータチップ）への入力電圧は、レギュレータチップの絶対最大/最小限界を超える可能性があります。レギュレータ/コントローラチップはこれらの変動を処理できず、変動の頻度に応じて、出力電圧が低下したり、増加したり、または大量のリップルが発生する可能性があります。 

例えば、テキサス・インスツルメンツ社の有名なLM2576-5.0 [1] レギュレータチップのアプリケーション図（図1）をご覧ください。入力電圧の変動範囲は7-40V（HVバージョンでは60V）であることが明記されています。別の例として、Power Integrations社のLNK30Xチップ（図2）[2]があります。ここでは、入力AC電圧が265VACを超えてはならず、85VAC以下になってはならないと記載されています。そうでないと、特に負荷がかかった場合に出力電圧が変動する可能性があります。

電源が、最小/最大範囲内であっても、入力で急激な大きな電圧変動に対処できない場合があることに注意する必要があります。これも出力電圧の変動を引き起こす可能性があります。

図1

LM2576-5.0 バックコンバータチップのアプリケーション図

図2

LinkSwitch-TN ユニバーサル入力、12V-120mA出力

負荷変更

電源は、負荷電流の急激な変化に対応できない場合があり、その結果出力電圧が変動することがあります。例えば、電源の電流供給能力が最大3Aで評価されている場合、負荷が突然4Aを引き出した場合、これが周期的に発生すると、出力電圧が低下し変動することになります。

さらに、負荷の電流が限定された範囲内で変動する場合でも、電源は「負荷ステップ応答」に対して調整およびテストされなければなりません。これは、DC負荷を使用して行います。簡単に言うと、DC負荷は周期的に負荷パルス（例：低電流レベル：1A、高電流レベル：3A）を供給出力に適用し、出力電圧がリンギング（振動）を起こさないか監視します。これは、負荷電流が大幅に頻繁に変更される可能性があるアプリケーション、例えばドライバーがヘッドライト、加熱要素などを頻繁にON/OFFするかもしれない車などで、必要なテストです。図3は調整されていない電源[3]を、図4は負荷ステップ応答テストに合格した改良/調整された電源[3]を示しています。

図3

調整されていない電源（ピンク：電流パルス、黄色：出力電圧、オレンジ：出力電圧（4P-平均）

図4

調整された電源（ピンク：電流パルス、黄色：出力電圧、オレンジ：出力電圧（4P-平均）

フィードバック制御ループ

これは、すべての出力電圧変動の背後にある最も可能性の高い理由です！ですから、他の可能性のある出力電圧変動の問題を探す前に、まずこれをチェックするべきです。フィードバック制御ループは、単にコントローラー/レギュレーターが出力を感知して電圧を安定させるための回路経路です。フィードバック回路の機能不全は、少なくとも出力電圧の変動につながります。

フィードバック経路は、リニアおよびバック/ブースト電圧レギュレータ回路で簡単に見つけることができます。フライバックコンバータの場合、フィードバック制御ループの最小構成要素は、オプトカプラーとゼナーダイオード（またはシャントレギュレータ）です（図5）。出力整流ダイオードとフィルタリングキャパシタも、制御ループの安定化に重要な役割を果たしますが、これについては「コンポーネントの経年変化」で詳しく説明されます。

図5

フライバックコンバータの典型的な回路

スイッチング周波数

電源を設計/修理して出力電圧が不安定な場合、一つの考えられる原因はスイッチング周波数が不正確であることです。スイッチング周波数は計算やコンポーネントの値に非常に重要な役割を果たします。計算された周波数からの大きなずれや不安定さは、出力電圧が変動する原因となり得ます。

コンポーネントの許容誤差

電源は様々な個別のコンポーネントで構成されており、それらの許容誤差は受け入れられる範囲内、例えば5%の許容誤差内に留まるべきです。これらのコンポーネントがより高い許容誤差を示す場合や、低品質のコンポーネントを使用する場合、出力電圧が変動したり効率が低下する原因となります。したがって、電源を設計する場合は、計算された値にできるだけ近づけるべきです。修理を試みる場合は、故障したコンポーネントを同一のもの（値、サイズ、許容誤差）に交換してください。

温度変動

自然と電源は熱を発生させるため、この熱はヒートシンクやファンを使用して適切に放散される必要があります。さもなければ、過度の熱はコンポーネントに熱ストレスを与え、寿命を短縮し、出力電圧が変動しやすくなります。さらに、アプリケーション環境の周囲温度が高い場合や適切な換気がない場合も、コンポーネントが適切に冷却されないため、電圧変動につながる可能性があります。 

経年劣化するコンポーネント

時間が経つにつれて、特に電解コンデンサーのようなコンポーネントの性能が低下し、故障につながることがあります。ほとんどの場合、電解コンデンサーが形状を変えたり、膨らんで見えたりすると明らかですが、視覚的な兆候なしに乾燥してしまうこともあります。膨らんだり乾燥した出力コンデンサーは、出力電圧の変動の最も一般的な原因の一つです。なぜなら、故障したコンデンサーはフィードバック制御ループの性能に影響を与え、出力のリップル/ノイズを増加させるからです。 

これに加えて、ブリッジ整流器の後の主入力コンデンサーや、コントローラーチップのデカップリングコンデンサーが故障し、出力電圧に影響を与えることがあります。原則として、元の容量値の20％以上を失ったコンデンサーは交換されるべきです。したがって、LCRメーターは、電源設計や修理を試みる際に必須のツールです。 

このビデオは、ESRを測定せずに電解コンデンサーの故障をテストする3つの方法を説明しています[4]。個々の電解コンデンサーを探して修理するのが時間がかかりすぎる場合は、すべての電解コンデンサーを交換することが賢明な決断かもしれません！図6は膨らんだコンデンサーを示しています。

図6

膨張した電解コンデンサ
 

参照資料

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: SIGLENT DC電子負荷を用いた負荷ステップ応答: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: 失敗したコンデンサを簡単に検出する方法: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU