ピークパワーとアベレージパワー - 正しいコンバータの選び方

ここで重要なのは、PP（ピーク出力）という数値です。RAC05-SK/277の公称出力は5Wですが、実際には過負荷保護が作動することなく6Wの出力が可能です。公称負荷の120％以下の過負荷では、コンバータ内の部品の内部温度が制限要因となります。過負荷の合間にコンバータが十分に冷却される時間があれば、複数の過負荷や周期的な過負荷にも耐え、安定した出力電圧を得ることができます。

非常に短く、非常に厳しい過負荷イベントに対しては、外部出力コンデンサから必要なピーク電流を供給し、コンバータが過負荷保護状態になるのを防ぐことができます。これは、無線接続されたマイクロコントローラーなどのアプリケーションで、送信バースト時の電流ピークが非常に短く高電力イベントであるが、平均消費電力ははるかに低い場合に有効です（図4）。この場合、電源はピーク電力ではなく平均電力を供給するように設計することができます。


ここまではAC/DCコンバータを考察してきましたが、DC/DCコンバータにも同様の分析を行うことができます。両者の違いは、DC/DCコンバータは80〜100％の出力電力範囲で連続運転することを前提に設計されており、さらに低負荷で使用すると効率カーブが急速に低下します。そのため、低出力電流で動作させれば必ず温度が下がるというわけではありません。一般に、パワーディレーティング以外に要求される動作温度範囲の仕様を満たす方法がない場合を除き、10WのDC/DCコンバータを5Wの負荷で使用することは避けるべきです。

例えば、RS12-Zシリーズは、小型のSIP8ケース（21.8mm x 9.6mm）で12Wの絶縁電力を実現しています。自然対流冷却と公称24V電源により、RS12-Zコンバーターは75℃までフルパワーで動作することができ、負荷を50%に軽減すれば工業用温度範囲である-40℃〜+85℃で動作可能です。このように、負荷を半分にするとコンバータが最高効率で動作しなくなるため、周囲温度の範囲は+10℃しか上がりません。とはいえ、自然対流冷却のみで工業用温度範囲で動作するSIP8ケースの6W部品が、同じ出力を得るために強制空冷に頼らざるを得ない競合製品よりもはるかに優れているのは明らかです。

多くの低コストAC/DCコンバータやDC/DCコンバータは、内部のシャント抵抗の電圧降下を検出する非常にシンプルな出力過電流保護回路を備えています（図5）。

このような内部保護回路は、実装が簡単で短絡保護には非常に有効ですが、トリガポイントがシャント抵抗の公差とNPNトランジスタのVBEしきい値電圧に大きく依存するため、過電流制限値のばらつきが大きくなります。そのため、100%負荷時の全周囲動作温度範囲を超えて過電流保護が誤動作しないように部品値を決定しています。これにより、室温での過負荷耐性が非常に高くなり、通常は公称出力電力の140%まで許容されます。このようなコンバータは、連続した全負荷で確実に動作させることができ、いかなる過負荷状態にも対処できる十分な余裕があります。

一般的にDC/DCスイッチングレギュレータは、部品のサイズを小さくするために高いスイッチング周波数で動作し（降圧コンバータの場合、周波数を上げるとインダクタ出力とコンデンサ出力の両方が減少します）、突然のピーク過負荷状態にさらされた場合に蓄えられる内部電力が少なくなります。シャント抵抗は、通常、メインのコントローラICと同じウェハダイに集積されており、抵抗値の公差が非常に厳しいため、過電流制限値の変動が少なくなります。さらに、ほとんどのスイッチング・レギュレータ・コントローラは、不正確なVbe接合しきい値電圧に頼るのではなく、正確なコンパレータ出力に基づくサイクルごとの電流制限モニタを使用しています。その結果、過電流または短絡保護の限界に達した場合、ほぼ瞬時にシャットダウンします。したがって、DC/DCスイッチングレギュレータは、平均的な負荷ではなく、最悪のピーク負荷条件を処理するように寸法を決める必要があります。