スイッチング電源
簡易なスイッチング電源では、電気的なスイッチングノイズを主電源ラインにカップリングし、A/V機器などの同相に接続された機器に干渉を与える可能性がある。
力率補正されていないスイッチング電源は高調波を発生させる。
フォワード方式、フライバック方式は、トランスの1次巻線を片方向にしか磁化しない。このため、デューティ比を50%未満に抑え、適切な減磁の手段を講じることで、コアに直流磁気が残留する偏磁現象は防げる。
これに対し、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式は、トランス本来の使い方である、コアに交流磁界を発生させる方式である。このため、1次巻線に流れる電力が、正方向の電力と負方向の電力にアンバランスが生じると、コアに残留磁界が生じる。この残留磁界が累積すると、コアが磁気飽和を起こし、1次巻線が発生する磁気エネルギーが2次巻線に正しく伝達されなくなり、1次巻線には過大な電流が流れ、スイッチやトランスを破壊する事故が発生してしまう。
フルブリッジ方式の場合、トランスの偏磁による飽和を防ぐため、一次側巻線の一端又は他端の何れかに、コンデンサを挟む。
電圧型プッシュプル方式の場合、フルブリッジ方式のようにコンデンサを電源と1次巻線との間に挟むことができない。このため、電力損失を覚悟の上で抵抗を挟む場合が多い。 一方、電流型プッシュプル方式の場合、前述のように電圧型とは異なり、偏磁に起因する事故が生じ難い。
ハーフブリッジ方式は、その回路構成自体にコンデンサを有することで、自ずと偏磁が生じ難い、とする見解 と、コンデンサの容量ばらつきによって偏磁を避けられない、とする見解 とで別れている。
スイッチングDC-DCコンバータは、必ず高速スイッチングを実行する。高速スイッチングの基となる制御信号をどのように導き出すかによって、自励式と他励式に分類される。
すると、一次巻線primaryから磁束が生じる。
一次巻線primaryの磁束が変化すると、ベース巻線baseが励磁される。
ベース巻線baseが励磁されると、トランジスタスイッチTrのベース電流が増加する。そして、トランジスタスイッチTrが完全にオン状態になり、一次巻線primaryの電流が増加する。
トランジスタスイッチTrが完全にオン状態になることで、一次巻線primaryには電源ノードにほぼ等しい電圧が印加される。しかし、一次巻線primaryはコイルなので、一次巻線primaryの電流は時間経過と共に線形的に増加する。一次巻線primaryの電流はトランジスタスイッチTrのコレクタ電流と等しく、コレクタ電流はトランジスタスイッチTrの直流電流増幅率hFEとベース電流によって制約される。すなわち、一次巻線primaryの電流は無限に増加せず、ベース電流が不足することによって一次巻線primaryの電流が増加しなくなる時点が生じる。
一次巻線primaryの電流が増加しなくなる、ということは、トランジスタスイッチTrのオン状態、すなわち飽和状態が維持できなくなることを意味する。したがって、トランジスタスイッチTrのコレクタエミッタ間の抵抗値が増大し、相対的に一次巻線primaryの端子間電圧が減少する。
一次巻線primaryの端子間電圧が減少すると、ベース巻線baseの励磁がなくなる。すると、ベース電流がなくなり、トランジスタスイッチTrはオフする。
トランジスタスイッチTrがオフすると、一次巻線primary、二次巻線secondary及びベース巻線baseには逆起電力が発生する。
交流は直流に整流され、スイッチングレギュレータと呼ぶ電力調整部分には、起動回路、平滑回路、過電流・過電圧保護回路、ノイズフィルタ回路等が付加されている。
リニアレギュレータのように、高い入力電圧から低い電圧を得るために電圧降下分を半導体素子の能動領域や抵抗に合わせジュール熱として放出する方式とは異なり、半導体素子の飽和領域と遮断領域における動作のみで所望する電圧を得ることができるため、半導体素子の電力損失を少なくでき、電力変換効率が高い。
スイッチング電源には「降圧(ステップダウン)、昇圧(ステップアップ)、昇降圧」という分類と「定電圧、定電流、定電力」という分類がある。出力電圧制御は、スイッチングレギュレータ部のデューティ比で行う。デューティ比の設定は、出力電圧の検出電圧と基準電圧を誤差増幅器によって比較しスイッチングレギュレータ部に帰還をかけることで行う。入力・出力間を絶縁する場合は、誤差増幅信号をフォトカプラでスイッチングレギュレータ部に伝達する。スイッチングレギュレータ部のオン・オフ周波数は高いほど電圧の変動(リップル)が小さくなり高速な応答が可能であり、使用するトランス、平滑リアクトル、コンデンサ等の小型化も可能となり、電源全体の小型化、軽量化を図ることができる。回路設計においては、伝導ノイズや不要輻射も考慮される。LED点灯回路など電圧による制御が困難・非効率な場合には定電流型を使用する。
ブーストコンバータとも呼ばれる。
コイルの一端を電源に接続するスイッチと、電源電圧を順方向に負荷へ伝達するダイオード(またはMOSFET等のスイッチ)よりなる。
スイッチオン時は電源からコイルに電力が供給され、スイッチオフ時は電源->コイル->ダイオードを通じて、負荷に電力が供給される。スイッチオフ時において、負荷には電源の電圧に加え、コイルの逆起電力によって発生する電圧が重畳されるため、電源の電圧よりも高い電圧が負荷に印加される。
ブーストコンバータは、電源から供給される電流が、常時、コイルに流れる、という特徴を有する。