PCB技術 - スイッチング電源の動作原理を図解する

一、スイッチング電源の概要

スイッチング電源は現代の電力電子技術を利用して、スイッチング管のオンとオフの時間比率を制御し、安定した出力電圧を維持する電源であり、スイッチング電源は一般的にパルス幅変調（PWM）制御ICとMOSFETから構成されます。電力電子技術の発展と革新に伴い、スイッチング電源技術も革新を続けています。現在、スイッチング電源は小型、軽量、高効率の特徴でほとんどの電子機器に広く応用されており、現在の電子情報産業の急速な発展に不可欠な電源方式です。

二、スイッチング電源の基本構成

スイッチング電源は、主回路、制御回路、検出回路、補助電源の4つの部分から構成されています。

1、主回路

衝撃電流リミット：電源投入瞬間の入力側の衝撃電流を制限する。

入力フィルタ：その役割は、フィルタグリッドに存在するノイズ波及が自機で発生するノイズを電力網にフィードバックすることだ。

整流とフィルタリング：電力網交流電源を直接平滑な直流電力に整流する。

インバータ：整流後の直流電力を高周波交流電力に変更します。これは高周波スイッチング電源の部分だ。

出力整流とフィルタリング：負荷の必要に応じて、安定で信頼性の高い直流電源を提供する。

2、制御回路

出力端からサンプリングし、設定値と比較した後、インバータを制御し、パルス幅や周波数を変えて出力を安定させる一方、試験回路から提供されたデータに基づいて、保護回路によって鑑別され、制御回路を提供して電源に対して各種保護措置を行う。

3、検出回路

保護回路で動作中の各種パラメータと各種計器データを提供する。

4、補助電源

電源のソフトウェア（遠隔）起動を実現し、保護回路と制御回路（PWMなどのチップ）の動作に電力を供給する。

三、スイッチング電源の動作原理

スイッチング電源の電圧変換は、スイッチングトランジスタ、パルストランスなどからなるパルス発振器であり、パルス電力を発生し、300 Vの直流電力をパルストランスの二次変換を経て必要な電圧に変換する。電気原理を図2に示します。

1、パルス発振器の動作原理

1）パルス発振器の起動

電源はR 10、R 10 A、R 15を介してQ 3（3極管）のb極（ベース）、e極（エミッタ）に順バイアス電圧を供給し、Q 3を導通状態に強制する。

2）パルス発振器の発振過程

Q 3が導通状態に入ると、+Vcはパルストランスの一次コイル、Q 3のc極、e極、R 15を介して電源の−Vcに到達し、このときパルストランスの二次コイルは誘導電位を発生し、二次コイルの一端は−Vcに接続され、他端はR 12、C 8を介してQ 3のb極に接続され、かつ誘導電位の極性は一次コイルの自己誘導電位と同極性である（図中の一次極コイルの上端はすべて同名端である）、Q 3のb極を得ると、より大きなベース電流が得られ、Q 3が飽和状態になるまでQ 3の導通が加速されます。回路を図3に示します。

Q 3が飽和すると、Icは図4のt 0〜t 3のように変化しなくなります。t 3からt 4の飽和過程を経ると、自己誘導電位、誘導電位の極性はそれに伴って反転し、すなわち上下正になります。二次極コイルにおけるこの反転後の電位は、正極がR 15を介してQ 1のe極に印加され、負極がR 12、C 8を介してQ 3のb極に印加され、Q 3が逆バイアスになるようにして、Q 3が飽和状態からオフ状態に急速に過剰になるように促します。Q 3がオフになると、D 8、R 17、C 7からなる吸収回路によって、最初の極コイルで発生した逆電位及び逆電流が速やかに吸収されます。発振サイクルが完了しました。その後、発振回路は上記の電源過程を繰り返します。

パルス発振器の周波数は、C 8と接続された二次極コイルのインダクタンス量によって決定されます。