スイッチング電源の軽負荷ハウリングの解決方法

スイッチング電源の軽負荷ハウリングの解決方法

スイッチング電源は、交流を直流に変換できる高周波電力設備の一種です。パワーエレクトロニクス技術の開発と応用において、コンピュータ、通信設備、産業用制御機器、家電製品など、さまざまな電子機器に広く使用されています。しかし、スイッチング電源は動作時に「ハウリング」と呼ばれる一種の高周波ノイズを放出し、機器の正常な使用と寿命に影響を与えます。特に、スイッチング電源が軽負荷状態にある場合、ノイズはより顕著になります。本稿では、スイッチング電源の軽負荷ハウリングの原因と解決方法を詳しく紹介します。

まず、軽負荷時のハウリングの原因
スイッチング電源が動作しているとき、負荷の大きさの変化に応じて出力電圧が変化します。通常、負荷電流が全負荷のとき、出力電圧は比較的安定しています。しかし、負荷電流が軽負荷の状態では、出力電圧が変動し、高周波ノイズが発生します。これは、軽負荷ではスイッチング素子が完全にスイッチングできないため、スイッチング電源の波形の高調波が増加し、ノイズが大きくなるためです。

第二に、軽負荷ハウリング法の解決策

（A）スイッチング電源の設計を最適化する
スイッチング電源の設計を最適化することは、軽負荷時のハウリングを低減する効果的な方法の 1 つです。設計では、スイッチング電源の出力電圧範囲を適切に設定し、適切な共振コンデンサを選択し、高調波の発生を防止したりノイズの拡散を低減したりするために、減衰回路やフィルタリング回路を追加する必要があります。

1.スイッチング電源の出力電圧範囲を設定します。
スイッチング電源の設計では、スイッチングレギュレータと電圧レギュレータを配置し、出力電圧の調整範囲を合理的に設定する必要があります。これにより、ノイズが大幅に低減されます。通常、レギュレータを追加するときは、負荷品質の低下や負荷電圧の浪費を防ぐために注意する必要があります。

2. 適切な共振コンデンサを選択します。
スイッチングコンバータが切り替わる際、スイッチング管は瞬時に充電・放電する必要があり、スイッチング管の周波数スペクトル上に多数の高周波信号が発生します。このとき、高周波ノイズによる点滅や配線ノイズなどの問題を回避するために、適切な共振コンデンサを使用して高周波フィルタリングを行う必要があります。

3. 減衰またはフィルタリング回路を追加します。
スイッチング電源にダンピング回路またはフィルタリング回路を追加すると、軽負荷時のハウリングノイズを効果的に低減できます。ダンピング回路は通常の軽負荷動作に適しており、フィルタ回路は軽負荷状態で使用されるスイッチング電源に適した方法です。フィルタ回路には、LC で構成されたローパス回路が含まれているか、または AC 電源のインダクタンスを組み合わせる方法を採用して、スイッチング電源のノイズレベルを低減します。

（２）電源レイアウトの最適化
電源レイアウトの最適化も、軽負荷時のハウリングを解決するための重要な手段です。スイッチング電源の設計と製造ではノイズを低減できますが、スイッチング電源の正常な動作を確保し、ノイズレベルを低減するには、他の要素も考慮する必要があります。このとき、電源レイアウトの最適化が非常に重要になります。

1. 敏感な線の長さを短くする
電源ラインを配置する際は、外部の電磁干渉 (EMI) の影響を防ぐために、敏感なラインの長さを可能な限り短くする必要があります。これらの回路には、スイッチング デバイスの制御回路、出力電圧サンプリング回路、電源回路、負荷回路などが含まれます。

2. 信号の接地に注意する
特殊なアプリケーション シナリオでは、一部の信号伝送および処理ラインを接地する必要があります。軽負荷ハウリングのノイズ レベルを最小限に抑えるには、信号接地を電源接地から分離して、伝送ラインの接地点での相互干渉を回避する必要があります。

（C）電力負荷を改善する
電源負荷の改善は、軽負荷ハウリングの問題を解決する効果的な方法です。高電力負荷または適切な補償回路を使用して、軽負荷時の電源負荷を改善できます。負荷電流が最小または軽負荷状態にある場合、高電力負荷を使用するのは効果的な方法です。高負荷電流下では、電源負荷のインピーダンスが低く、電源の調整と安定性が良好であるためです。ただし、軽負荷電流下では、負荷インピーダンスが増加し、電源の調整能力が弱まり、ノイズレベルが増加します。スタッガード回路は、電源負荷の変動を減らし、軽負荷時の負荷状態を改善して、ノイズレベルを減らすことができます。