主な違い - **ps vs. リニア電源

電子・電気機器の多くは、動作に直流電圧を必要とします。これらの機器、特に集積回路を持つ電子機器は、誤動作や焼損することなく動作するよう、信頼性が高く歪みのない直流電圧を供給する必要があります。直流電源の目的は、これらの機器にきれいな直流電圧を供給することである。直流電源は、交流電力を滑らかな直流に変換するトポロジーとして、リニアモードとスイッチングモードに分けられる。リニア電源は、トランスを使って交流電源電圧を直接目的のレベルまで降圧し、スイッチング電源は、スイッチングデバイスを使って交流電圧を直流に変換し、目的の電圧レベルの平均を求めます。これがスイッチング電源とリニア電源の大きな違いです。

カタログ

1. 概要と主な違い 2. リニア電源とは 3. SMPSとは 4. 横並び比較 - 表形式でのSMPSとリニア電源の比較 5. まとめ

リニア電源は何ですか？

リニア電源は、系統の交流電圧を降圧トランスで直接低電圧に変換する。このトランスは、交流電源周波数50/60Hzで動作するため、大電力を扱う必要があり、そのため、このトランスはかさばり、サプライも大きく重くなっています。

降圧された電圧は整流され、フィルタリングされ、出力に必要な直流電圧が得られます。このレベルの電圧は入力電圧の歪みによって変化するため、出力に先立ち電圧調整を行う。リニア電源の電圧レギュレータは、通常、半導体デバイスで、可変抵抗器として機能する。出力抵抗の値は、出力電圧が一定となるように、必要な出力電力に応じて変化する。そのため、ボルテージレギュレータは電力消費デバイスとして機能する。ほとんどの場合、電圧を一定に保つために余分な電力を消費しています。そのため、ボルテージレギュレータには大きなヒートシンクが必要です。その結果、リニア電源が重くなる。また、電圧レギュレーターが熱放散器として働くため、リニア電源の効率は約60%低下する。

しかし、リニア電源は出力電圧に電気的なノイズを発生させない。トランスを使用しているため、出力と入力の間に絶縁が得られます。そのため、リニア電源はRF機器、オーディオ用途、実験室試験などノイズの少ない電源が必要な高周波用途、信号処理、増幅器などに使用されています。

図01：リニアレギュレータを用いた電源

スイッチング電源(**ps)は何ですか？

スイッチング電源（Switching Power Supply）は、スイッチングトランジスタのデバイスで動作する。まず、AC入力はリニア電源とは異なり、電圧を下げることなく整流器によってDC電圧に変換される。その後、直流電圧は、通常MOSFETトランジスタによる高周波スイッチを通過する。つまり、MOSFETのゲート信号（通常は50khz程度のパルス幅変調信号）により、MOSFETを流れる電圧をON/OFFする（チョッパー/インバータブロック）のである。このチョッピング動作の後、波形はパルス状のDC信号に変換されます。その後、高周波のパルス状直流信号の電圧を降圧トランスで所望のレベルまで下げます。最後に、出力整流器とフィルターで出力直流電圧を回復させる。

図02：SMPSのブロック図

SMPSの電圧レギュレーションは、出力電圧を監視するフィードバック回路によって実現されています。負荷の要求電力が大きい場合、出力電圧は上昇する。このインクリメントをレギュレータのフィードバック回路で検出し、PWM信号のオン/オフ比を制御する。その結果、信号の平均電圧は変化する。その結果、出力電圧は一定になるように制御されます。

スイッチング電源に使用される降圧トランスは高周波で動作するため、リニア電源に比べサイズや重量が非常に小さくなっています。これが、リニア型スイッチング電源に比べ、スイッチング電源が小型・軽量である大きな理由となる。また、余分な電力をオーミックロスや熱として消費することなく、電圧調整を行うことができます。スイッチング電源の効率は最大で85〜90％。

同時に、SMPSはMOSFETのスイッチング動作により高周波ノイズを発生させます。このノイズは出力電圧に反映されますが、プレミアムモデルや高価なモデルでは、この出力ノイズがある程度緩和されているものもあります。また、スイッチングは電磁波や電波障害を発生させます。そのため、スイッチング電源にはRFシールドやEMIフィルタを使用する必要があります。そのため、SMPSはオーディオやRFの用途には適していません。携帯電話の充電器、DCモーター、ハイパワーアプリケーションなど、ノイズの影響を受けにくい機器は、スイッチング電源で使用することができます。軽量・小型化により、ポータブル機器としても使用できるようになりました。

スイッチング電源(**ps)とリニア電源（LINEAR）の違い

概要 - スイッチング電源(**ps) vs. リニア電源（LINEAR）

直流電源には、スイッチング電源とリニア電源の2種類が使われている。スイッチング電源とリニア電源の主な違いは、電圧調整と降圧に使用するトポロジーです。リニア電源がスタート時に交流を低電圧に変換するのに対し、スイッチング電源はまず電源の交流を整流・フィルタリングし、高周波交流に切り替えてから降圧します。リニア電源の入力トランスは、動作周波数が低くなるほど重量やサイズが大きくなるため、スイッチング電源の入力トランスよりも重く、大きくなっています。また、電圧調整は抵抗の放熱で行うため、リニア電源はヒートシンクを付けて重くする必要があります。スイッチング電源のレギュレータは、スイッチング周波数を制御することにより、出力電圧を制御しています。その結果、SMPSは小型化、軽量化された。また、スイッチング電源は発熱が少ないため、効率的です。

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引用

1 "リニア電源とレギュレータ", 電子修理技術新聞. n, p., n.d. Web.こちらからご覧いただけます 2017年6月14日"スイッチング電源", Wikipedia.ウィキメディア財団、2017年5月17日。メッシュです。こちらからご覧いただけます 2017.6.14 2 "スイッチングパワー", Wikipedia.ウィキメディア財団、2017年5月17日。取得しました。