スイッチング電源設計の芸術と技術を学ぶ

1975年に電気技術者になったばかりの私が、初めて手がけた設計プロジェクトは、HP 9825Aデスクトップコンピュータ用のHP 9878A I/Oエキスパンダでした。私にはプロジェクトのあらゆる電子的要素を設計する責任が与えられ、プロジェクトの機械設計を担当するHPの技術者ジェリー・ニコルズ氏と力を合わせてこの仕事をしました。

I/Oエキスパンダは、概念的には現在のUSBハブによく似ていました。つまり、コンピュータのI/Oポートを複数のポートに「エキスパンド」(拡張)するわけです。HP 9878A I/Oエキスパンダでは、1つのI/Oスロットを7つに変換することが求められました。I/Oカードはすべて、スパイスに由来するコードネーム(パセリ、セージ、ローズマリー)を持っていたため、I/Oエキスパンダプロジェクトのコードネームはすぐに「スパイスラック」となりました。スパイスラックは、1976年に発売されました(図1)。

図1:当時はスイッチングレギュレータ設計が実用化されていなかったため、HP 9878A I/Oエキスパンダ(1976年頃)は、5、12、-12ボルト電源用にリニアパワーレギュレーションを使用していました。(写真提供:スティーブ・レイブソン)

この設計仕事の一部には、エキスパンダの7個のスロットに接続されたI/Oカードへの電源供給が含まれていました。各カードは、I/Oスロットの安定化5ボルトレールから最大500mA(ミリアンペア)を消費し、安定化12ボルトおよび-12ボルトレールから100mAを消費しました。したがって、I/Oエキスパンダの電源は、5ボルトで3.5アンペアを供給する必要があり(I/Oエキスパンダの内部回路に別途5ボルトの供給電流も必要)、安定化12ボルトおよび-12ボルトの電源はわずか700mAでした。

HP 9878Aの12ボルト電源要件は、新しい(当時としては)µA7812およびµA7912 3端子レギュレータを使用することにより簡単に満たされました。ただし、約4アンペアの供給が必要な安定化5ボルト電源については、簡単な選択肢はありませんでした。短期間の調査後、私は10ピンTO-5パッケージのµA723可変レギュレータICを選択しました。これには、いくつかの付加的なサポート部品と、巨大なTO-3パッケージの外付け2N3055 NPNパワートランジスタが必要になりました。

余談:伝説的な設計者ボブ・ワイドラー氏は、1967年にµA723可変レギュレータICを設計しましたが、非常に高い耐久性が実証されています。ワイドラー氏が設計した他のアナログICの多くと同様に、µA723レギュレータは現在でも広く使用されています。半世紀前に誕生したICにしては立派です。

3端子レギュレータと2N3055パワートランジスタは、HP 9878Aのアルミキャスト製シャーシにしっかり取り付けられたアルミパネルにボルト締めされ、放熱が図られました。一方、基板実装のµA723可変レギュレータには、小さなクリップオンヒートシンクが搭載されました。この設計で熱放散が問題になることは決してありませんでした。

µA7812とµA7912の3端子レギュレータは、45年近く経った今でも適切な選択肢になりえます。しかし、µA723可変レギュレータおよび外付け2N3055 NPNパストランジスタは、もはや私が選ぶことはありません。過剰な廃熱を最小化するため、HP 9878Aの電源設計にはカスタム巻のパワートランスが必要でした。このため、非安定化DC電源レールが安定化5ボルトレールよりもわずかに高くなりました。ただし、当時のHPには独自のトランス工場があり、特注トランスの調達は大した問題ではありませんでした。今は話が違います。今の私が設計するとしたら、この目的にリニア電源を使用することはないでしょう。

1975年当時、スイッチング電源設計はまだ始まったばかりでした。事実、それは技術というより芸術であり、スイッチング電源設計に役立つICはほとんどありませんでした。実際に、まったく存在しなかったのです。現在は技術が一層進歩し、多くのスイッチング電源レギュレータがICという形で入手可能になっています。それでも、信頼性の高い優れたスイッチング電源設計が非常に芸術的であることに変わりはない、と私は考えています。どんな芸術においても、芸術家はまずルールを学ぶ必要があります。そうして初めて、ルールからあえて逸脱することができます。またルールからの逸脱は、そうすることにメリットがある場合にのみ限られます。

スイッチング電源設計の芸術と技術を学ぶのに役立つリソースはたくさんあります。最高のリソースの例としては、Texas Instruments(TI)がPower Management Lab Kit(PMLK)シリーズ用に開発した評価キットや関連コースワークがあります。このシリーズには、次の内容が含まれます。

この3つの製品には、それぞれ評価用ボードと教本が含まれており、それぞれに降圧/昇圧スイッチング電源設計および低ドロップアウトレギュレータ(LDO)について解説しています。安定化スイッチング電源から複数の低電流の安定化電源電圧を得るために、スイッチング電源設計でもLDOが必要になる場合があります。

TIが提供するこれらの教本には、評価ボードに基づく実験が含まれています。この3冊のPMLKワークブック内の実験をすべて終了すると、電源技術について多くの知識が身に付いているでしょう。45年前に、こんなリソースを利用できたらどんなによかっただろうかと思います。

著者について

Image of Steve Leibson Steve Leibson氏は、HPとCadnetixでシステムエンジニアを務め、EDNとMicroprocessor Reportで編集長として活躍し、XilinxとCadenceなどの企業では技術ブロガーを担当しました。また、同氏は、「The Next Wave with Leonard Nimoy」の2つのエピソードで技術専門家を務めました。同氏は、33年間にわたって、高速でかつ信頼性の高い優れたシステムを設計技術者が開発することを支援しています。
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