スイッチモード電源 (SMPS) はどのように動作しますか？

ACまたはDCから1つ以上のDCレベルに電力を変換できる電源をお探しですか？その場合、スイッチモード電源が必要です。以下にその動作方法を示します。   一般に「スイッチャー」と呼ばれるこれらのデバイスは、電源を1秒間に何度もオンとオフに切り替えます。このスイッチングにより、メガヘルツ範囲に達することが多い効果的な入力周波数が生成されます。

スイッチング電源の「スイッチ」は、実際には半導体であり、ほぼゼロ抵抗で電力を伝達するために飽和領域に駆動されるMOSFETです。この動作は秒間何千回も繰り返され、高周波の交流媒介を生成します。半導体が飽和状態に駆動されているため、抵抗がほとんど発生せず、高効率で発熱が非常に少なくなります。一方、リニア電源は名前の通り整流器が線形領域で動作します。これは、電力が伝導されるときに抵抗を介して行われ、プロセスに内在する無駄な電力と熱発生が伴うことを意味します。   半導体がオンとオフを切り替える周波数に関わらず、「オン」パルスの開始間の時間はスイッチング周期と定義されます。スイッチング周期のうちのオン時間をデューティサイクルと呼びます。デューティサイクルを変化させることで、出力電圧が制御されます。デューティサイクルをリアルタイムで変更することで、電圧を目標に維持できます。 

高効率 － 発熱が非常に少ないです。低出力のユニットはしばしばヒートシールドを必要とせず、これによりPCBsに直接取り付けることができます。   コンパクト形状 － スイッチャーは高い周波数で動作するため、関連するフィルタリングコンデンサーやインダクターの値とサイズが小さくなり、全体のユニットが占めるスペースが少なくなります。   多目的設計 － スイッチャーは用途に応じて電圧を昇圧（ブースト）または降圧（バック）するように設計できます。

用語   スイッチャーは、しばしばブリック、ハーフブリック、クォーターブリックで説明されます。フルブリックの寸法は4.6 x 2.4 x 0.5インチ、ハーフブリックは2.3 x 2.4 x 0.35インチ、クォーターブリックは2.3 x 1.45 x 0.35インチです。これらの定義は広く受け入れられていますが、必ずしも一様に守られているわけではありません。仕様にはピン配置も含まれているため、標準に準拠したスイッチャーを使用すると、設計者が必要に応じて製品を容易に代替できるのです。最新モデルのクォーターブリックの電源は250ワット以上の電力を供給することができます。これは、以前必要だった電力のスペースを大幅に改善し、設計された製品により多くの機能を含めるためのスペースが解放されるという素晴らしい進歩です。   設計   スイッチャーの物理を説明する方程式は、見た目よりも簡単です。電気技術者が通常扱うマイクロアンペアとは対照的に、アンペアを扱う現実は、遅延や追加費用、さらには製品の直接的な故障につながることがあります。スイッチャーの設計は常に電力専門家に任せるのが最善であり、このシナリオではほとんどの場合、購入する方が製造するよりも賢明です。    エンジニアにはスイッチング電源を使用して設計するための主な選択肢が2つあります。1つ目は、システムを供給するために必要とされるすべての電圧を生成する単一の電源です。2つ目は、外部ACとインターフェースする1つのユニットですが、DC出力が1つだけであり、通常は12、24、または48ボルトのいずれかです。この場合、メイン電源によって生成される電圧は、必要な最大電圧です。システム内でより低い電圧が必要な場合、DC-to-DCダウン変換を行うためにバックコンバーターを使用することができます。   バックコンバーターは非常に効率的で、損失はわずか5％以下です。スイッチングレギュレーターと表現されることもあります。すべてのスイッチャーと同様に、バックコンバーターの中心は半導体スイッチで、ソース電圧を1秒間に数千回以上オンオフ切り替えています。   その設計の利点から、スイッチモード電源はほとんどの技術的で厳しい用途を除いて標準となっています。設計は効率の向上、サイズの縮小、重量の軽減の点で常に改善されています。さらに電源のヒントを探していますか？トップスイッチングDC-to-DCコンバーターの種類の詳細をご覧ください。