--- title: 電源回路 url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/04-analog-circuits/03-power-supply-circuits locale: ja area: hardware tags: - hardware - analog-circuits date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: '電源回路 電源システムアーキテクチャ 電源システムアーキテクチャ: 2つの入力経路が安定化DC出力に収束 経路1: AC入力 AC商用電源 トランス 整流 フィルタ レギュレーション DC出力 または 経路2: DC入力 DC入力 DC-DC変換 安定化出力 典型システムの例 商用電源 220V AC AC-DC 12…' --- # 電源回路 ## 電源システムアーキテクチャ 電源システムアーキテクチャ: 2つの入力経路が安定化DC出力に収束 経路1: AC入力 AC商用電源 トランス 整流 フィルタ レギュレーション DC出力 または 経路2: DC入力 DC入力 DC-DC変換 安定化出力 典型システムの例 商用電源 220V AC AC-DC 12V DC POL 5V / 3.3V 1.8V / 1.2V… (Point of Load) 2つの入力経路(ACまたはDC)は最終的に安定化DC出力に収束します。実際のシステムでは、まず12Vのメイン電源を生成し、 POL(Point of Load)によって近接して5V / 3.3V / 1.8V / 1.2Vなどの複数の電圧に変換することが一般的です。 --- ## リニアレギュレータ (Linear Regulator) ### 基本原理 リニアレギュレータの基本原理: 調整素子の電圧降下 = Vin − Vout Vin (未安定化) 調整素子 (BJT/MOS) リニア領域で動作 ≈ 可変抵抗 Vout (安定化) 誤差増幅 VoutとVrefを比較 調整素子を制御 Voutを検知(フィードバック) 制御信号 Vref (基準電圧) 本質: 調整素子の電圧降下 = Vin − Vout; 消費電力 = (Vin−Vout) × Iout。 電圧差が大きく、電流が大きいほど発熱が激しくなる——これがリニアレギュレータの効率が低い理由です。 ### 長所と短所 ``` 長所: ✓ ノイズが少なく、リップルが小さい ✓ 過渡応答が速い ✓ 回路が単純 (周辺部品が少ない) ✓ EMIの問題がない 短所: ✗ 効率が低い: η ≈ Vout/Vin 例: 12V→5V η=42% (58%が熱になる!) ✗ 降圧のみ可能 ✗ 大きな電圧差/大電流時に発熱が激しい ``` ### LDO (Low Dropout) ``` 標準的なリニアレギュレータでは Vin - Vout > 2~3V が必要 LDOでは Vin - Vout < 0.5V (場合によっては100mV!) が可能 調整素子にPNPまたはP-MOSFETを使用 → 電圧差は Vce(sat) または I×Rds(on) のみ 選定ガイド: 電圧差の要件 > 1V → 78xxシリーズ (7805, 7812... 安価) 電圧差の要件 < 0.5V → LDO (AMS1117, LP2985...) ``` ### 典型チップ | 型番 | Vout | Imax | 電圧差 | 特徴 | |------|------|------|------|------| | 7805 | 5V | 1.5A | 2V | 古典的な3端子レギュレータ | | LM317 | 可変 | 1.5A | 2V | 出力可変: Vout=1.25(1+R2/R1) | | AMS1117-3.3 | 3.3V | 1A | 1.1V | 一般的なLDO | | LP2985-3.3 | 3.3V | 150mA | 280mV | 超低ドロップ、低ノイズ | --- ## スイッチングレギュレータ (Switching Regulator) ### 基本原理 ``` スイッチ素子がON/OFFを繰り返す → エネルギー蓄積素子 (L, C) がエネルギーを平滑化 → 出力 Vin ──[スイッチ]──[L]─── Vout │ │ [PWM] [C] │ GND PWM: パルス幅変調 → デューティ比 D を調整して出力を安定化 周波数: 典型 100kHz ~ 2MHz ``` ### リニア電源との比較 | 特性 | リニア | スイッチング | |------|------|------| | 効率 | 低い (30-60%) | 高い (80-95%) | | ノイズ | 極めて低い | スイッチングリップル+EMIあり | | 複雑さ | 単純 | 複雑 (L, C, 補償が必要) | | 体積 | 大きい (放熱必要) | 小さい | | 降圧のみ? | はい | いいえ (昇降圧可能) | --- ## 3つの基本トポロジ ### Buck (降圧) ``` ┌── L ──┬── Vout │ │ Vin ──[SW]───┤ ┌┴┐ │ │C│ └──▸├──┴┬┘ │ GND SW ON: L が充電、C が負荷に供給 SW OFF: L がダイオードを介して継流 Vout = D × Vin (D = Ton/T) D < 1 → Vout < Vin ``` ### Boost (昇圧) ``` ┌── L ──┬──▸├── Vout │ │ │ Vin ──┤ [SW] ┌┴┐ │ │ │C│ └───────┴───────┴┬┘ │ GND SW ON: L がエネルギーを蓄積 SW OFF: L の誘起電圧が Vin に重畳 → Vout > Vin Vout = Vin / (1-D) ``` ### Buck-Boost (昇降圧) ``` Vout = -Vin × D/(1-D) (反相出力) 入力より高いまたは低い電圧を出力可能 (極性が反転) ``` --- ## 実際の設計上のポイント ### 入力/出力コンデンサ ``` 入力: 大容量電解コンデンサ + 高周波セラミック (0.1μF) 電解コンデンサが低周波リップルを処理、セラミックが高周波スパイクを処理 出力: リップル要件に応じて選択 ΔV = ΔI/(8×f×C) + ΔI×ESR (Buck) ``` ### インダクタの選定 ``` Buck: L = (Vin-Vout)×D / (ΔI×f) ΔI は Iout の 0.2~0.4 程度を推奨 Isat > Iout + ΔI/2 (ピーク電流) ``` ### パターンレイアウトのポイント ``` 1. スイッチングループの面積を最小化! (Vin → SW → L → Cout → GND のループが小さいほど、EMIが低減) 2. フィードバック配線はインダクタやスイッチングノードから遠ざける 3. 入力コンデンサはICのピンに近接して配置 4. GNDは銅箔を敷き、単点接地または完全なグランドプレーンを使用 ``` --- ## 保護機能 | 保護 | 説明 | |------|------| | OCP (過電流) | 出力電流が制限値を超えた場合に制限またはシャットダウン | | OVP (過電圧) | 出力電圧が高すぎるとシャットダウン | | OTP (過温度) | チップ温度が制限値を超えるとシャットダウン (サーマルシャットダウン) | | UVLO | 入力電圧が低すぎるとシャットダウンし、異常動作を防ぐ | | ソフトスタート | 起動時の電流サージを制限 | --- ## 主要チップ早見表 | チップ | タイプ | Vin | Vout | Iout | 周波数 | |------|------|-----|------|------|------| | LM2596 | Buck | 4.5-40V | 可変 | 3A | 150kHz | | MP1584 | Buck | 4.5-28V | 可変 | 3A | 1.5MHz | | MT3608 | Boost | 2-24V | 可変 | 2A | 1.2MHz | | XL6009 | Boost | 5-32V | 可変 | 4A | 400kHz | | TPS5430 | Buck | 5.5-36V | 可変 | 3A | 500kHz | --- *キーワード: リニアレギュレーション, LDO, スイッチング電源, Buck, Boost, PWM, 効率, リップル, EMI*