パソコン用リニアレギュレータ電源の検討と製作
DC-DCコンバーターを排除した、PC用低ノイズ化リニアレギュレータ電源の検討と設計解析
お断り
この電源製作検討は、私的な使用に供する事を目的とした物である本サイトに記載した内容は、追試した場合の安全性・性能を保証する物ではない
必ず自ら内容を確認の上で参考として頂きたい
本サイトの情報を利用して発生した損害に対して、本サイトの主催は一切の責任を負わない
検討 / 回路全体 / 最新見直し後
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その1)Power_on / リレー・制御電源 / リレー駆動回路
PC駆動用の3.3v,5v,12v電源 外部機器用電源：5v / 12vは全てパワーオン信号から制御するリレーで供給を制御
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その2)外部機器用12v電源回路 （Tx-USB用電源） 外部機器用5v電源回路
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その3)スタンバイ5v電源回路 3.3v電源回路
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その4)5v-3A電源回路 12v-3A電源回路 パワーオンディレー信号回路
5vの電圧の立ち上がりを受けて、遅延回路を介し電源電圧が確立した信号/PWR-OKを返す
1）回路の選択
起動直後の突入が大きく定常の電流が小さいなら、シャントレギュレーターよりシリーズレギュレーターの方が定常時の損失が少なくて良いなんて事を考えながら、レギュレーター回路を見てみる
検討にはSPICE/TINAを利用・・・・と書いているが、実際は勉強しながらということで、SPICEを使って電源回路検討している参考書
「電源回路の仕組みと基本」という本を買った
この本がSPICE/TINAを使っている
ただ、付属のTINA9はいろいろ制限が掛かっているので、あわせてTiからTi/TINAをダウンロードして利用した方が良い
〜1 初期検討
TiからTL431のSPICEモデルをダウンロードしたり、（Tiの）TL431を利用した定電圧電源のモデル回路を参考とした
最初は、モデル回路からシミュレーションを始める
最初は直流解析
折角のSPICEなので、各部電圧・電流の状況を見てみる
5v3A出力のこの回路で、入力側の電圧：8vは必要
シミュレーション上は、7.5A程度までは定電圧特性が出せる（素子が死ぬかもしれないが）
入力10vで5v出力だから、出力電力と同じ損失が発生する
3Aなら、15wが損失となるため、放熱は必須
〜2 回路定数を手持ち素子の都合で修正
手持ち素子の都合で、回路定数を変更した
これでそこそこ行けそうだったら、実物を作ってみる
電源電圧10vでパラメータスタディをしてみる
電源入力10vで、出力電流を振ってみる
出力電流7.2A近くまで出せる / TL431の動作電流は確認が必要
TL431に2mA以上流すとすると、5A程度までの動作は良さそう
出力電流3Aで電源電圧を振ってみる
3Aの出力電流を確保しようと思うと、電源電圧が9vは必要
この解析は、出力電流3Aで電源電圧を振った場合
電源電圧が7.5vあれば、シミュレーションでは5vの出力電圧が確保できるとなるが、一つ上の様に安定動作を考えてTL431に2mA程度を流せば、電源電圧は9v程度に上げる必要あり
出力電流：0.25Aの場合
TL431に2mAを流すとすると、電源電圧は8vは必要
〜3 平滑コンデンサー容量の影響を見ると
一番大きく電圧が変動しているのは2,000μF
一番変動が小さいのは30,000μF/その中間なので、16,000μFの3条件で検討
2,000μでは容量不足
2,000μFと16,000μFの間に良さそうなところがあるか？
更に5,000μFから15,000μFの間でコンデンサー容量を調整してみる
5,000μFでは変動が大きく、中間の10,000μF以上は必要
電源電圧に余裕がなければ、30,000μF（コンデンサー容量を増やしてみる）入れてみる
実機は15,000μFで製作しており、電流の大きな5v系と12vには目安として15,000を2個入れる
そうすることで、二次側の電圧を上げずにより大きな電流まで定電圧特性が維持出来る
〜4 トランスを含めたSPICEのシミュレーション
せっかくシミュレーションが出来るのだから、トランスを含めてパラメータースタディを行ってみる
交流電圧を9v〜12ｖの4条件振ってみる
負荷は5A
供給電圧は上からAC：12v・11v・10v・9v
電圧を見ているのは、整流後平滑コンデンサー上のVF1
直流条件での検討では8vも出ていれば実用となりそうだが、トランス電源で考えるとVF1で10v以上（トランス部でAC：11v）は必要となりそう
上を同じ計算結果の出力電圧部を拡大してみる
整流後の下限電圧が9vを切ると、出力側が維持できない様である
〜5 トランス等価内部抵抗の影響検討
思ったより最低電圧が必要なので、その原因としてトランスの等価DCRの影響を見てみるトランスの等価DCRが0.1Ωとなっているので、0.01Ω〜0.1Ωを3条件振って影響を見る
トランスの等価DCRを変化させれば、整流後の電圧は変化するが、その影響は大きくは無い
出力を安定させるには、出力側にコンデンサーを入れるか？
〜6 出力側に入れるコンデンサー容量の影響
出力側にコンデンサー 1,000μF〜15,000μFを入れて検討してみた / 放電様に560Ωも追加出力電流は5Aのまま
出力側のコンデンサー容量を1,000μF・8,000μF・15,000μFの3条件振ってみる
負荷は5A
この検討結果が代わり映えしないように見えるのは、負荷が5Aだから
負荷3A とか、7Aでは違った姿が見える
コンデンサー容量により電圧リップルが減るが、効果は？
〜7 パワーオン・ディレー回路
ここは、見直しが必要？ 時定数が合っていない気がする・・・・現物は15μF＊１kΩで作った様な・・
トランス電源の立ち上がりを含めたシミュレーションとなっているが、実回路ではリレーで電源の入り切りをしている
TINA Model Download
1μF＊1kΩで250mmS程度の遅れとなっている
0.2μF＊10kΩで125mmS程度の遅れとなっている
実回路の動作状況
菊水の定電圧電源を利用し、スイッチオン時のディレー回路の時間遅れ/電圧立ち上がりの状況
トリガー：2vで、電源立ち上がり212ms後に電源が確立した信号が出ている
シミュレーションと同じような信号が得られている
〜8 PCからの信号反転とリレー駆動回路
PCからの信号が負論理なので、Trで受けて信号を反転し、3.3v・5v・12vを供給するリレーを駆動する
実際にリレーが動作したときのリレー相互の遅れ
電源のスイッチが押された後にPC側へ供給する12v・5v・3.3vを制御しているリレーの動作遅れ
何れも12vが基準 / このテストでは、リレーへ同じ12vを供給している
メカリレーなので、チャタリングが見えているが、1.5ms程度で落ち着いているので、こんなものか
リレーの動作としては、12vに対して3.3vの供給が一番遅れる
それでも2.5msなので、問題なしと判断
PC用電源の制御ロジック信頼性向上
PCから出てくるPS_ON信号をトランジスターで受け反転していたが、受け側でプルアップをしていなかったのでPCケースに因っては信号が不安定となることもあるようである
信号を制御回路の入り口でプルアップして受けるとともに、仕様に従いヒステリシス回路を加えた
現時点ではSPICE（TINA-Ti）であたりを付けブレッドボードで動作を確認するまでで、実際の電源に組み込みまでは出来ていない
Trを使って0.8v-2.0vのヒステリシス回路を作り、その出力を信号反転回路に入れるまでを試した
一個目と二個目のトランジスターでヒステリシスを作り、三個目はこれまでと同じ反転回路
ヒステリシス回路の出力は0.6v近く/トランジスターがカットオフする電圧まで下がらないので、ヒステリシス回路のベース・グランド間に抵抗を入れバイアスを作っている
計算もせずに、SPICEで定数をいじって適当に動作させているので、これが正しいかと言われると？？ではあるが、バラックでのテストは行った
定電圧電源を2個使い、一個で信号相当の電圧を作り出した
狙い通りの動作が出来ているので、実機を組み立てて実装を行う予定
〜9 測定結果を使って、Ti-Tinaのシミュレーション パラメータをあわせ込み
定電圧後の平滑コンデンサを1,000μFとしている
実機と同じ15,000μFでは、定電圧が維持でてきななり、出力電圧の急激な落ち込みは起きない
電流条件を4.4A,5A,5.6Aと振って、出力電圧の変動を見る
5.6A条件では、電圧が正弦波的リップルから変化し、電圧の落ち込みが出ている
整流後の電圧リップル
計算結果を見ると、5.6A条件でリップル2.08v（pp）
実機の測定結果では2.3v程度のリップルが出ていることから、等価的には内部抵抗が更に大きいか、整流後のデカップリングコンデンサ容量が少ない事になる
コンデンサ容量はすでに一桁小さく設定しているので、等価的な内部抵抗を設定すべきと考える
定電圧後の電圧リップル
シミュレーションのあわせ込みを更に実施
以前は、コンデンサー容量を合わせると結果が合わないと言っていたが、トランスの内部抵抗を加えたりして更なるあわせ込みを行うことで問題に対処
高電流側での定電圧特性向上のため、電解コンデンサー容量増加の検討
ついでに、二次側電圧低下の影響検討
これが、SPICEで計算した標準条件の過渡特性（電流・電圧特性）
電流条件は4.4A、5A、5.6Aの3条件で計算してみる
まあ、まあの結果で、5.6A条件で定電圧が維持出来なくなり、リップルが増える様子がわかる
だが、実際の様に、5.5Aまではそこそこリップルが増えながら、その後5.6Aで急にリップルが増えるのが再現出来るか？
5.4A、5.5A、5.6Aで再計算
おお、これは凄い
まぐれで、5.5Aと5.6A状況が変わるのが表現できている
ここに内部抵抗だとか入れて居らず、トランクの2次側で一括に処理しているので、この状況は本当にまぐれ
箱はタカチのヒートシンク付きをベースに考える
上手く収まっているように見えるが、これまでに何回見直したか・・
幅：330のタイプを使い、ほぼ隙間無く部品を詰める
12v系のトランスと整流・定電圧回路
12vの電流の少ないところ（リレー駆動用の12v）用トランスは、はマザーボード以外に供給する12vと供用
このモデルに描いてある青いサイコロ（電流用ダイオードブリッジ）は一つ不要
定電圧・定電圧後のコンデンサーは個別に配置するが、リレー電源には付加ダイオードを取り付けなかった
5v・3.3v系のトランスと整流・定電圧回路
こちらは全て分離
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