直流電源装置

直流電源装置の回路方式と特長

直流電源装置の回路方式と特長

ここでは、商用ラインを入力とする直流電源装置(AC-DC電源)について記述します。
直流電源装置には大きく分けてスイッチング方式とリニア方式があります。
一般的にスイッチング方式は、小型で高効率ですが雑音が大きく、一方でリニア方式は、効率は良くありませんが低雑音なことが知られています。

表1 方式の違いによる性能差

  雑音性能 効率 体積 重量
スイッチング方式 悪い 良い 小さい 軽い
リニア方式 良い 悪い 大きい 重い

したがって、用途によって適切な電源を選択する必要があります。例えば、微小信号測定などに使用する“アンプの電源”や“センサのバイアス源”としては、低雑音·高安定を実現できるリニア電源が適切です。
当社では微小信号測定機器の一部として、リニア電源の中でも非常に低雑音かつ高安定なLPシリーズ電源を販売しています。

1. スイッチング方式

スイッチング方式はスイッチングデバイスのオン抵抗による損失などがありますが、効率は80%以上の高効率を実現する物も多く存在します。また、高周波トランスは扱う周波数※が高いので小型化することが可能です。
しかし、スイッチングによる雑音(スイッチング周波数とその高調波成分)が出力に現れてしまい、リニア方式と比較すると雑音性能が良くありません。

※ 一般的にスイッチング周波数は20k~1MHz程度です。

スイッチング方式定電圧電源装置 概略回路
図1 スイッチング方式定電圧電源装置 概略回路

2. リニア方式

リニア方式はシリーズレギュレータによって低雑音な安定した出力を供給できますが、入出力の電圧差をすべて熱として消費するので効率は良くありません。シリーズレギュレータにはバンドギャップ型やツェナー型などがあり、出力電流·雑音性能·安定性に各々の特徴があります。
また、商用ライン入力を変圧するトランスは一般的に大きく重い場合が多く、熱の放出のためシリーズレギュレータに大きなヒートシンクが必要となります。

リニア方式定電圧電源装置 概略回路
図2 リニア方式定電圧電源装置 概略回路

3. 方式による雑音性能差

微小信号測定などで重要となる雑音性能に関して、スイッチング方式とリニア方式でどの程度差があるのかを実測データで示します(図3、4)。

スイッチング電源では、スイッチング周波数とその高調波にて大きな雑音が存在することが分ります(図3)。また、ハム雑音(50 or 60Hz+高調波成分)も大きく表れていることが分ります。
リニア電源の雑音はスイッチング電源よりも小さいです。しかし、トランスからの磁気雑音の飛びつきや商用ラインからのコモンモード結合によってハム雑音が現れることがあります(図4)。

また、どちらの方式でも外乱雑音が混入することがあります(図3、4)。これは電源装置のシールドや商用ライン入力からの回り込などが原因です。

一般的なスイッチング電源の雑音特性
図3 一般的なスイッチング電源の雑音特性
一般的なリニア電源の雑音特性
図4 一般的なリニア電源の雑音特性

4. 低雑音直流電源LP5394の雑音性能

一般的なリニア電源やスイッチング電源では抑えることが困難な雑音ですが、当社低雑音直流電源LP5394を使用すると全体の雑音が小さく、ハム雑音や外来雑音も存在しない非常にきれいな直流電圧を得ることができます(図5、6)。これは、回路設計もさることながら、シールドなどの構造設計をしっかり行うことで実現しています。

当社低雑音電源LP5394の雑音特性
図5 当社低雑音電源LP5394の雑音特性
各雑音特性(図3、図4、図5)を重ねて表示
図6 各雑音特性(図3、図4、図5)を重ねて表示

電源装置内ディジタル部に起因する雑音

電源装置内ディジタル部に起因する雑音

前項『直流電源装置の回路方式と特長』で紹介した通り、リニア方式の電源は雑音性能に優れていますが、ハム雑音や外乱による雑音が重畳することがあります。
この他に電源装置内のディジタル部に起因する雑音が重畳することもあり、ここでは見落とされがちな雑音要因に関して記載します。

『ディジタル部の雑音に注意』と言っても、ディジタル部とアナログ部(電源装置の場合レギュレータ回路など)を絶縁しなければクロックなどに起因する雑音がアナログ部に影響してしまうことは一般的に知られています(図1)。では、他に注意すべきことは何でしょうか。

ディジタル部とアナログ部を絶縁しなければ、クロックなどに起因する雑音がアナログ部に影響してしまう
図1

1. ディスプレイから放射される雑音

見落とされがちなディジタル部に起因する雑音として、ディスプレイから放射される雑音が挙げられます。
ディジタル部の雑音対策はクロック源やCPUなどが注視されがちですが、ディスプレイも雑音を出しています(図2)。

ディスプレイから放射される雑音
図2

ディスプレイからは、ディスプレイ前面から装置の外部に放射している雑音以外にも、装置内部にも雑音が放射されています。この雑音がアナログ部に影響を及ぼしてしまっては、せっかくの低雑音電源も本来の性能を発揮できません。
下記グラフに一般的なリニア電源の雑音特性を示します(図3)。

リニア電源の雑音特性
図3 リニア電源の雑音特性

数MHzにいくつかスペクトルが立っており、これがディスプレイから発生する雑音です。基板上でいくらディジタル部とアナログ部の絶縁をしていても、ディスプレイから発生した雑音が空間を飛んで来てアナログ部に影響を与えてしまいます。
7セグメントLEDで表示を行っていた頃には問題にならなかったディスプレイの雑音ですが、LCDなどを使用するようになったことで、最近ではディスプレイの雑音にも注意を払う必要が出て来ました。

2. ディスプレイの雑音に影響されない精密低雑音電圧源

エヌエフの精密低雑音直流電圧源 LP6016-01では、ディスプレイの電源をオフにせずとも、下記グラフのようにディスプレイで発生する雑音が出力(アナログ部)に重畳しないように工夫しています(図4)。これにより、非常にきれいな低雑音特性を示していることが分ります。

LP6016-01の高域雑音特性(100kHz~10MHz)
図4. LP6016-01の高域雑音特性(100kHz~10MHz)

また、ディスプレイの前面からは、電波として微弱なノイズが放射されています。電波暗室などで使用する際には、この放射ノイズも抑制する必要があります。
当社では、特別な設計によってこの放射ノイズを抑制する技術を保有しています。カスタム品(図5)として提供できますので、発注時にご指示ください。

ディスプレイ前面からのノイズ対策を行ったLP6016-01(カスタム品)の特性例
図5. ディスプレイ前面からのノイズ対策を行ったLP6016-01(カスタム品)の特性例

放射雑音測定時の構成

放射雑音測定時の構成

低雑音直流電源を用いた測定・評価の改善例

低雑音直流電源を用いた測定・評価の改善例

1. フォトダイオード出力のS/N比改善

デモ動画: 低雑音直流電圧源LP6016-01によるフォトダイオードのS/N比改善

低雑音直流電源LP5394によるフォトダイオードのS/N比改善

微小信号測定や高精度な信号検出が求められるアプリケーションでは、低雑音·高感度なアンプやセンサなどのデバイスが用いられます。しかし、これらデバイスの性能が良いだけでは最良の結果は得られません。供給する電源の質によっては、デバイス性能に影響を与える可能性があります。

一般的なフォトダイオードは逆バイアス電圧(Vb)を印加して使用します。このバイアス電圧の雑音は信号出力に大きく影響しますので、低雑音電源を用いて供給する必要があります。
バイアス電圧源の雑音がどの程度出力に影響するのかを図1に示す測定系において実測しました。

フォトダイオード評価の測定系
図1 フォトダイオード評価の測定系

一般的なリニア電源を用いた時には検出したい信号が雑音に埋もれて観測できませんでした。一方で、当社低雑音直流電源LP5394を用いるとしっかりと観測することができます(図2)。このように、同じデバイスを用いたとしても供給する電源の質によって、出力に大きな差が生じます。低雑音·高感度なデバイスを使用する場合には、電源の質に気を付ける必要があることが分ります。

図2 フォトダイオード出力信号と雑音特性のバイアス電圧源による差

  バイアス電圧源=LP5394 バイアス電圧源=一般的なリニア電源
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2. 電圧制御水晶発振器の安定性向上

電圧制御水晶発振器のように、電圧制御を行う高精度なデバイスは制御電圧の雑音や安定性が、デバイスの機能や性能に直結します。このようなデバイスの製品検査や評価を精確に行い、また最大限の性能を引き出すためには低雑音かつ高安定な電圧源を使用する事が重要です。
制御電圧源の雑音や安定度がどの程度出力に影響するのかを図3に示す測定系において実測しました。

電圧制御水晶発振器の出力周波数評価 測定系
図3 電圧制御水晶発振器の出力周波数評価 測定系
  • VCXO(Voltage Controlled crystal Oscillator):電圧制御水晶発振器
  • TCVCXO(Temperature Compensated Voltage Controlled crystal Oscillator):温度補償型電圧制御水晶発振器

測定条件

TCVCXOの中心周波数: 約30MHz、測定周期: 1Hz、測定数: 40,000回、総測定時間: 約11時間、周囲温度: 23±5℃

結果は図4に示す通り、一般的なリニア電源を用いた時と当社低雑音電源LP5394を用いた時では、出力周波数のバラつきに倍以上の差が出ます。
このように、同じデバイスを用いたとしても供給する電源の質によって、出力周波数のバラつきに差が生じます。高精度が求められるデバイスを使用·評価する場合には、電源の質に気を付ける必要があることが分ります。

図4 TCVCXO出力周波数バラつきの制御電圧源による差

  制御電圧源=LP5394 制御電圧源=一般的なリニア電源
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