スイッチング電源: 熱を捨てずに電圧を変える
変換比を変えて二つの方式が捨てる熱を比べる
二つの棒は、同じ入力電圧を同じ出力電圧に変えるとき各方式が使う電力を分けたものだ。金色は出力へ出る有効電力、赤は熱で捨てられる損失だ。変換比、つまり出力対入力の比を掃こう。線形方式は変換比が小さいほど赤い帯が増えるが、スイッチングは変換比によらず金色がほぼそのままだ。
線形方式は差を熱で燃やす
線形レギュレータはトランジスタを可変抵抗のように使い、余った電圧を落とす。同じ電流Iが入力から出力へ流れるので、トランジスタには入出力差(Vin - Vout)がかかり、電力(Vin - Vout)·Iがそのまま熱になる。出力へ出る有効電力はVout·Iだから、効率はη = Vout / Vin、変換比そのものだ。12 Vを5 Vに落とすと半分以上が熱で消え、3.3 Vに落とすと4分の3が消える。降圧が大きいほど熱くなり無駄も増える。
理想スイッチは損失がない、刻んで平均する
スイッチには二つの状態しかない。オンでは両端電圧が0なのでV·I = 0、オフでは電流が0でまたV·I = 0だ。どちらでも理想スイッチは電力をほとんど消費しない。だから電圧を可変抵抗で落とす代わりに、スイッチを速くオン・オフして入力を細かく刻む。一周期でオンの時間の割合をデューティ比Dとすると、刻まれた電圧の平均はD·Vinだ。この刻みをインダクタとコンデンサのLCフィルタが滑らかに平均すると、出力はVout = D·Vinになる。デューティ比だけ変えれば出力電圧が決まり、その間どこでも電力を燃やさない。
効率は変換比を選ばない
線形方式の効率は変換比そのものだった。だから12 Vから1.2 Vを作ると効率が10パーセントに落ち込む。スイッチングは違う。損失の原因が入出力差ではなくスイッチとインダクタの非理想性だけなので、変換比をどれだけ大きく取っても効率が揺るがず、しばしば90パーセントを超える。まさにこのため、携帯の充電器からノートのアダプタ、データセンタの電源まで、ほぼすべての電源がスイッチング方式だ。ただし速くオン・オフする代償としてスイッチング雑音が生じ、インダクタとコンデンサが要るので、回路は線形より複雑だ。それでも降圧が大きいほどスイッチングの利点は圧倒的だ。
最初の画面に戻ると
変換比が小さいとき線形の棒は赤い熱が大半を占め、変換比を1に近づけると金色の有効電力が棒を満たした。線形効率が変換比そのもの、η = Vout / Vinだったからだ。スイッチングの棒は終始ほぼ金色のままだった。オンで電圧が0、オフで電流が0の理想スイッチが電力を燃やさず、刻んだ入力をLCが平均してVout = D·Vinを作るからだ。一方向弁であるダイオードの整流から一歩進み、素子をオン・オフするだけで電圧を効率よく変える電力電子の入口に立った。
次へつながる流れ
ここではスイッチを理想的とみなした。最後のユニットでは、そのスイッチの正体を開く。パワーMOSFETがまさにそのスイッチであり、現実のスイッチはオンのとき小さなオン抵抗で、オン・オフの瞬間に電圧と電流が重なって損失を出す。この導通損失とスイッチング損失が効率の天井を決め、なぜより速くより低抵抗の素子を追うのかを見る。