実験！スイッチング電源入門 ノイズと発振への対応

強力な高周波ノイズやリプルを減らすテクニック

スイッチング電源の設計は，高効率の代償「ノイズ」といかに向き合うかだ

スイッチング電源の基本構造と動作

スイッチング電源は，高効率なエネルギ変換を実現する回路で，DC-DCコンバータやAC-DCコンバータとして多くの電子機器に使用されています．基本的にはトランジスタの高速なON/OFF動作によりエネルギを蓄積・放出する構造をもっています．具体的には，インダクタ $L_r$ やキャパシタ $C_r$ を用いて，エネルギを蓄えたり放出したりしながら，高周波でのスイッチングを行います．

スイッチング動作が急峻であるため，ノイズが発生しやすい点がスイッチング電源の特徴です．このノイズは，急激に変化する電流が回路を流れることで，電磁波として放射され，周囲の電子機器に干渉を及ぼすことが多いです．特に，負荷が大きくなるとノイズの影響が顕著に現れます．

オシロスコープによる動作確認

オシロスコープを使用してスイッチング電源の出力を確認すると，負荷の影響によって出力に変動が見られることがあります．例えば，5Vを出力するDC-DCコンバータでは，負荷が軽いときは出力電圧が安定していますが，負荷を増やすと出力にヒゲ状のノイズが現れます．これは，負荷が大きくなるほどノイズが増えるという，スイッチング電源特有の現象です．

\[ \begin{align} V_{\text{out}} & = 5 \, \text{V} \quad （\text{負荷なし}） \\ V_{\text{out}} & = 5 \, \text{V} + \text{ノイズのヒゲ} \quad （\text{負荷あり}） \end{align} \]

このノイズの発生は，インダクタやキャパシタの選定，および位相補償によって抑制可能です．特に，出力に適切なキャパシタを追加することで，ノイズのピーク間の振幅が小さくなります．

キャパシタと位相補償によるノイズ低減

スイッチング電源のノイズ対策には，外部キャパシタやインダクタの選定が重要です．例えば，50V 100μFのキャパシタを出力側に追加することで，ノイズの振幅が小さくなることが実験で確認されています．ただし，キャパシタを大きくしすぎると，回路全体の安定性や応答性に悪影響を与える可能性があるため，適切な値を選ぶ必要があります．

さらに，位相補償も重要です．負荷が大きくなると，5V出力が大きく振動してノイズが発生することがあります．これは，OPアンプの動作が速すぎることが原因で，キャパシタを用いて動作を緩和することで対応します．

位相補償とノイズ低減

位相補償は，スイッチング電源の安定動作において重要な役割を果たします．特に，負荷が変動する際に出力が大きく振れる場合は，OPアンプの動作が速すぎることが原因であり，適切な位相補償を行うことで，安定した応答を得ることが可能です．

位相補償の実際の調整は，ICメーカのデータシートに記載された推奨値を参考にしつつ，実際の回路に合わせてチューニングを行います．この調整作業は，スイッチング電源設計において最も難しい部分の1つです． 〈ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2010年　沼津工業高等専門学校　専攻科　卒業
• 2010年　FA機器/ハード・ディスク製造装置設計業務に従事．その後ベンチャーにて半導体検査/医科学用電子顕微鏡，半導体製造装置，理化学機器の研究開発設計に従事
• 2020年　静岡県創業者育成施設審査通過し，個人事業として独立
• 2022年　株式会社ディスクリテック設立，現在に至る

著書

1. ［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 完全マニュアル】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 プロの仕上げ技101】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］すぐ動く！BM83 Bluetoothスタータキット，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD/KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門
7. 一人で始めるプリント基板作り，トランジスタ技術Special No.127，CQ出版社
8. 商用利用OK！噂の完全フリー基板作成ツール KiCad，トランジスタ技術2015年3月号，CQ出版社．
9. 1枚100円も！世界のプリント基板ネット通販メーカ，トランジスタ技術2016年7月号，CQ出版社．
10. 部品の足にジャストフィット!フットプリント作成，トランジスタ技術2017年5月号，CQ出版社．
11. コネクタなどの特殊部品のフットプリントを高速自作!CQ FootprintTracer，トランジスタ技術2017年10月号，CQ出版社．
12. はじめてみませんか？プリント基板ネット通販生活，トランジスタ技術2018年2月号，CQ出版社．
13. 工作実験室で活躍中！高コスパ電子工作ツール一覧，トランジスタ技術2018年12月号，CQ出版社．
14. 成功間違いなし!　BGA配線 10の基本ルール，トランジスタ技術2020年5月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．