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

10WのAC/DC電源（例：RAC10-12SK/277）の典型的な効率/負荷グラフを見てみましょう。

過負荷時の効率のグラフは、すべての負荷が約20%以上の場合は非常にフラットで、これは良いことですが、50%の負荷(5W)では、効率は電源電圧に応じて77%から81%の間で変動します(図1、オレンジ色線)。一方、負荷100%の場合は、入力電圧にかかわらず効率は83%で一定です（図1、青線）。

この差は大きなものではありませんが、77％の効率は供給されたエネルギーの30％が熱として無駄になっている一方、83％の効率は20％しか無駄になっていないので、消費電力を大幅に削減できます。仮に、この電源をRAC05-12SK/277のような5W定格の同等品に交換した場合、電源電圧にかかわらず、効率は常に83％となります（図2）。


さらに、動作効率が高いだけでなく、5W部品のサイズは10W製品の約半分になるため価格も安くなるという二つのメリットがあります。

ピークパワー vs アベレージパワー

しかし、「ピーク電力はどうなるのか？最悪の連続負荷条件で動作する電源が、さらに短時間のピーク過負荷にどう対処するのか？」という質問にはどう答えましょうか？

ここでのキーワードは「ワーストケース」です。通常動作では、負荷は通常この電力需要よりも小さくなります。コンバータがワーストケースの負荷で連続運転された場合でも実際の負荷ははるかに小さく、この電力レベルを問題なく処理することができます。これにより、コンバータには、連続運転時の負荷よりも高い短期的なピーク過負荷にも対応できる「熱的余裕」が生まれます。

例えば、RAC05-SK/277のデータシートにはピーク負荷能力を算出するための計算方法が示されています（図3）。

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。

過電流保護

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。

結論

過渡的なピーク負荷に対応するために、AC/DCやDC/DCコンバータを連続してオーバースペックに動作させることは非効率的であり、必要以上に大きな電源を供給することになりかねません。アプリケーションの平均的な負荷条件、ワーストケースの負荷条件、ピーク負荷条件を理解することで、信頼性の高い電源電圧を低コストで確保できる最適なソリューションを選択することができます。当社のテクニカルサポートエンジニアまたはテクニカルセールスチームが、お客様のアプリケーションに最適なソリューションについてアドバイスいたします。