応用組み込み電子工学

第4章 電力システム 電力システム

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システム電力を供給することは簡単なことであるが、複雑なシステムの場合、重要な設計問題になることがある。電源とグラウンド（P&G）はシステム全体に共通であり、煙のような故障点、システム全体へのノイズの共通パス、ある場所での電力需要が他の場所での性能に影響するパスとなる可能性がある。

安全なAC電源、安全な故障シナリオ、規制遵守の問題、電源上の適切なノイズレベル、制御されたアップ/ダウン電源サイクル、変動性の高い負荷下での安定した電源は、すべて信頼性の高いシステムの一部である。電力変換器の選択肢を理解し、どのように電力システムを構成するかが目標である。AC/DCコンバータをゼロから設計する必要はほとんどない。多くの既製コンバータが入手可能で、システムに簡単に実装できるからである。

初期化AC/DC電力変換の後、ローカルレギュレーション、異なる回路用の複数電圧、高周波バイパス、選択的デバイスデカップリング、電力モニター、電力サイクル制御などの追加項目が一般的に必要とされる。さらに、使い捨てバッテリー、充電機能付きバッテリー、外部AC/DCコンバーター、システム内部のAC/DCコンバーターなど、いくつかの電源シナリオが存在する。

この章では、これらすべてを取り上げ、その共通点と相違点を浮き彫りにする。

分相AC主電源

AC主電源は何で構成されているか？米国の住宅レベルでは（図4-1）、交流電力網は、「分相120/240システム」出力を作成する地域の降圧変圧器と分散変圧器に給電する。

図4-1. AC分相電力、商用電力網からの降圧

図4-2は、降圧トランスの2次側からの両方のライン信号を示している。一般的なコンセント（米国では120 VAC 60 Hz、その他の地域では50 Hz）に届くのは、1つのライン信号（別名ホット）、ニュートラル、アース・グラウンドからなる3線式である。ニュートラルは、AC主電源降圧トランスの2次側からのセンタータップである。

図4-2. AC スプリットフェーズ電力信号

ニュートラルとアースは、AC配電変圧器でのみ接続される。1960年以前は、住宅用配線は2線のみで、アースの安全性はなく、多くの故障シナリオで安全でない機器を生み出していた。

AC電源の安全性：問題の定義

AC電源を直接デバイスに導入する場合、実装を慎重に設計する必要がある。AC電源の使い方を誤ると、致命的な装置や煙だらけの結果につながりかねない。

現在、ほとんどの機器は、外部AC/DCコンバータから供給される低電圧DC電源を内部で使用しているため、ほとんどの設計者は、高電圧製品の安全要件に気づかずにいることができる。古い（1960年以前）電気製品の多くは、本質的に安全でなかったり、一度の故障で致命的な事態を招きかねなかった。プラスチックが普及する前は）金属製の筐体が一般的で、アース安全接続がないため、致命的な組み合わせになっていた。ありがたいことに、1960年以前の電気機器のほとんどは引退したか、新しい製品に取って代わられたため、それらの機器のほとんどはもう使われていない。 ...