質問:
絶縁型スイッチング電源のフィードバック・ループでは、なぜオプト・カプラのバイアス設定が重要なのですか？
回答:
フィードバックされる信号が出力電圧の変化を正確に反映するようにするためには、オプト・カプラを適切にバイアスしなければなりません。その結果、パルス幅変調（PWM：Pulse Width Modulation）コントローラがデューティ・サイクルを適切に調整し、出力電圧が適切にレギュレートされるようになります。オプト・カプラのバイアスが不適切である場合、フィードバック信号が歪み、出力にオーバーシュート／アンダーシュート／発振が生じる可能性があります。オプト・カプラの動作を線形領域に維持することで、フィードバック・ループが負荷と入力ラインの変動に対して想定どおりに応答するようになります。その結果、一貫して安定した電圧を得ることが可能になります。
はじめに
絶縁型スイッチング電源では、出力側（2次側）から入力側（1次側）へのフィードバック信号を使用します。その信号は、電気的な絶縁を損なうことなく伝送されなければなりません。通常、この信号の伝送は、「LT1431」をはじめとする高精度のシャント・レギュレータとオプト・カプラを組み合わせることで実現されます。具体的には、シャント・レギュレータにより、抵抗分圧器を介してスイッチング電源の出力電圧を監視します。その結果、目標となる設定値からの偏差が生じていれば、その大きさに応じてオプト・カプラのLEDに流れる電流の量を調整します。
LEDは順方向電流（以下、IF）の量に比例して発光し、その光量が1次側のフォトトランジスタによって検出されます。その検出結果は、電気信号（電流）として表現されます。多くの絶縁型スイッチング電源では、フォトトランジスタの信号がPWMコントローラの補償ピン（COMP）を介して変調されます。それにより、PWMコントローラのデューティ・サイクルが決定されます。このクローズド・ループのフィードバック機構により、変化する負荷／入力の条件に対応して出力電圧がレギュレートされます。
このループの性能は、オプト・カプラのバイアスと補償用回路の設計に大きく依存します。バイアスの値が不適切である場合、非線形な動作、飽和、低速な応答といった問題が生じてしまうかもしれません。また、補償用回路による調整が不十分だと、安定性の低下や発振につながる可能性があります。
オプト・カプラのバイアスとは何か？
オプト・カプラをバイアスするというのは、どういうことなのでしょうか。その目的は、オプト・カプラが線形領域で動作するようにすることです。その結果、LEDを流れるIFやフォトトランジスタのコレクタ - エミッタ間の電圧／電流といった動作条件が適切に設定されます。このことは、オプト・カプラにより絶縁バリアを越えてアナログ信号を正確に伝送する必要があるフィードバック・システムにおいて非常に重要です。絶縁型スイッチング電源において、オプト・カプラは2次側の電圧検出部と1次側のPWMコントローラの間のブリッジとして機能します。オプト・カプラのバイアスが適切でない場合、フィードバック信号が歪み、電圧が適切にレギュレートされなくなり、安定性が低下します。図1は、絶縁型スイッチング電源のフィードバック用素子として使用されるオプト・カプラの内部構造と外付け部品を示したものです。
入力段のLEDの発光
絶縁型のフィードバック・システムを使用するスイッチング電源において、オプト・カプラのLED側は、通常、シャント・レギュレータによって駆動されます。シャント・レギュレータはスイッチング電源の出力電圧に基づき、LEDのIFを調整します。このIFの値は制御用の重要なパラメータです。IFによってLEDから放射される光の強度が決まり、2次側のフォトトランジスタの導通レベルが制御されます。LEDは順方向のバイアス領域で動作し、IFが多いほど光量が増加します。通常、推奨されるIFの値は1mA～10mA程度です（モデルによって異なります）。
この範囲を下回るレベルで動作させると光量が不十分になります。その結果、フォトトランジスタが十分に活性化されていない状態になり、適切なフィードバック制御を実行できなくなる可能性があります。一方、IFの値が上記の範囲を超えると、熱ストレスが発生します。その場合、LEDの寿命が経年劣化によって短くなったり、ジャンクションの発熱によって光効率が低下したりする可能性があります。実際の設計において、IFの値はオプト・カプラのLEDのアノードに接続された抵抗（図1のR2）によって設定されます。シャント・レギュレータにより、出力電圧の変化に応じてカソードに流れる電流量が調整されると、IFも動的に調整されることになります。
特に、低い出力電圧のヘッドルームを計算する際には、ループで使用するLEDの順方向の電圧降下について考慮する必要があります。高性能（過渡応答が高速）のスイッチング電源を設計したい場合には、IFが適切に制御され、安定した状態が維持されるようにすることが不可欠です。つまり、フィードバック・パスの精度が高く、ノイズが小さく、熱の面で信頼性の高い動作を確保することが重要です。
CTRの設定
オプト・カプラを選択する際には、電流伝達比（CTR：Current Transfer Ratio）が重要なパラメータになります。CTRは、フォトトランジスタの出力電流とLEDの入力電流の比として定義されます。通常、その単位としては「%」が使用されます。例えば、CTRが100%である場合、LEDの入力電流が1mAであれば、フォトトランジスタの出力電流（コレクタ電流）も1mAになります。
通常、CTRの値は固定することができません。温度やLEDを流れる電流、デバイスの経年変化に応じ、その値が変動するからです。例えば、代表的なオプト・カプラ「PC817D」のCTRは、様々な条件に応じて50%～600%ほど変動します。最も厳しい条件下でも信頼性の高い動作が得られるようにするためには、そのオプト・カプラで保証されているCTRの最小値を考慮する必要があります。
CTRを選択する際に考慮すべき重要な事柄
オプト・カプラのCTRの最小値に対応するように設計すれば、最も厳しい条件下でもフィードバック・ループが機能し続けることを保証できます。CTRは個々のオプト・カプラごとに、または時間の経過に伴って大きく変動する可能性があります。そのため、想定されるCTRの最小値に基づいて設計を実施するべきです。そうすれば、オプト・カプラが劣化したり、仕様の限界付近で動作したりした場合でも、フォトトランジスタはPWMコントローラのCOMPピンを十分に駆動可能な量の電流を供給し続けることができます。
一般に、CTRは温度の上昇に伴い低下します。そのため、温度ドリフトももう1つの重要な検討事項になります。温度ドリフトについての考慮を怠ると、温度が上昇した場合にフィードバック・ループのゲインが低下します。その結果、応答が遅くなったり、電圧をレギュレートできなくなったりする可能性があります。動作温度範囲の全体にわたってループ制御を維持できるよう、十分なマージンを確保しなければなりません。
CTRは、経年劣化の影響によっても低下します。特にLEDを多くの電流で駆動する場合、経年劣化によるCTRの低下は顕著になります。経年劣化が生じると、所定の電流量に対する発光量が低下します。そうすると、フィードバック信号が弱まってしまいます。初期設計の段階で十分なヘッドルームを確保しておかなければ、製品が寿命を迎えるまでの間に補償が不十分になったり安定性が低下したりする可能性があります。
最後にもう1つの重要な要素を指摘しておきます。ループの適切な動作を実現するには、オプト・カプラの線形動作を確保することが不可欠です。オプト・カプラが非線形領域で動作した場合、LEDの電流の小さな変化によってフォトトランジスタの電流量が不適切に変化します。そうすると、フィードバック信号が歪むという結果につながります。この非線形性は、補償用回路の設計を複雑にします。また、出力電圧のレギュレーションの精度と安定性を低下させる原因になり得ます。
これらの事柄について慎重に配慮することで、製品の動作寿命や環境面の条件全体にわたり、オプト・カプラを使用するフィードバック・ループの堅牢性、精度、安定性を維持することが可能になります。フィードバックを利用するアプリケーションでは、ループ・ゲインの一貫性と予測可能な動作を維持できるようにしなければなりません。そのためには、CTRについてはより狭い許容範囲（例えば100%～200%）を設定することが推奨されます。
出力段のフォトトランジスタによる信号の受信
フォトトランジスタは、LEDからの光信号を電気信号に変換／出力する主要な素子です。通常、フォトトランジスタを使用する場合、エミッタを接地し、コレクタをプルアップ抵抗（R1）に接続します。この構成により、出力電圧の振幅が決まります。オプト・カプラが備えるLEDが順方向にバイアスされると、LEDから赤外光が放射されます。この光がフォトトランジスタのベース領域に照射されると、同トランジスタは導通した状態になります。その結果、コレクタ電流が流れます。その値は、LEDのIFとオプト・カプラのCTRに比例します。
LEDの照度が高くなると、フォトトランジスタが強く導通します。そうするとコレクタの電圧が低下し、出力信号のレベルが低くなります。この動作は、スイッチング電源をはじめとする絶縁型のフィードバック・システムにおいて非常に重要です。その種のシステムでは、多くの場合、フォトトランジスタのコレクタはPWMコントローラのCOMPピンに接続され、信号がフィードバックされます。このノードの電圧はコントローラのデューティ・サイクルに直接影響を及ぼし、出力電圧／出力電流が調整されます。コレクタのプルアップ抵抗は、フォトトランジスタがオフのときに高レベルの出力電圧を設定する役割を担います。それだけでなく、フィードバック・ループの動的応答にも影響を及ぼします。その抵抗値を小さく設定すると応答時間が短くなりますが、電圧の振幅が小さくなる可能性があります。一方、抵抗値を大きく設定すると振幅は増大しますが、遷移が遅くなります。また、フォトトランジスタのスイッチング速度、飽和特性、オフの状態で生じるリーク電流も設計時に考慮すべき重要な項目です。特に高い周波数を扱うアプリケーションや高い精度が求められるアプリケーションでは、それらが重要な意味を持ちます。
絶縁型スイッチング電源では、フィードバック・システムで使用するオプト・カプラのバイアスを適切に調整しなければなりません。このことは、絶縁バリアを介して高い精度でアナログ信号を伝送するために不可欠です。オプト・カプラのLED側については、線形な光出力が得られる状態を維持する必要があります。また、熱による劣化を回避するために、最適な範囲内の電流で駆動しなければなりません。一方、オプト・カプラの出力側では、フォトトランジスタによって光信号を安定した電気信号に変換する必要があります。それにより、PWMコントローラを効果的に制御することが可能になります。CTRが適切かつ厳密に規定されたオプト・カプラを選択すれば、温度が変化したり、使用時間が経過したりした場合でも一貫したループ・ゲインを得ることができます。これらすべてについて考慮することで、電源の動作寿命全体にわたり、堅牢性と精度に優れ、安定した出力電圧を得ることが可能になります。データシートに記載された推奨事項に従い、ループのシミュレーションを実施し、動作温度範囲の全体にわたってテストを実施してください。それにより、堅牢性が高く予測が可能な性能を実現できます。
オプト・カプラのバイアスの設定は、単にLEDを点灯させるために行うのではありません。高速な制御システムにおける重要なアナログ・リンクを調整するために必要な手段です。その方法を習得すれば、単に絶縁型スイッチング電源の機能を実現するのではなく、信頼性と効率に優れる電源を確保することが可能になります。
補償用回路の設計
補償用回路は、誤差アンプとして機能するシャント・レギュレータに接続します。絶縁型スイッチング電源のフィードバック・システムにおいて、オープンループの周波数応答として所望の結果を得る上で重要な役割を果たします。その主な目的は、負荷や入力ラインが変化しても、ループの安定性、高速な過渡応答、電圧の正確なレギュレーションを維持できるようにすることです。
オプト・カプラとシャント・レギュレータを組み合わせた絶縁型のフィードバック・システムでは、フィードバック・パスによって動的な要素が加わることになります。そのため、慎重な管理が必要になります。汎用のオプト・カプラを電源の用途で使用する場合、帯域幅は20kHz～500kHz程度になるはずです。また、システムの周波数応答を見た場合に、低い周波数の位置にポールが配置されるようにします。一方、シャント・レギュレータによってゲインが加わることから、オプト・カプラを適切にバイアスしないと非線形な動作が生じる可能性があります。これらの特性によってシステムの位相余裕が減少すると、回路の安定性が損なわれます。
補償用回路は、上記の問題を解消できるように設計しなければなりません。具体的には、ループのゲインと位相を決めるゼロとポールが適切な位置に配置されるようにします。通常、ポールとゼロの数が少ない補償用回路は、帯域幅が中程度で電流モード制御を採用するアプリケーションに適しています。より広い帯域幅を必要とするアプリケーションや電圧モード制御を採用するアプリケーションでは、位相余裕を改善したり設計上の柔軟性を確保したりするために、より複雑な補償用回路を使用すべきです。
補償用回路の種類、それぞれの効果
スイッチング電源の制御ループでは、補償用回路を用いてループ・ゲインと位相応答を調整します。それにより、高速な過渡応答性能と安定性を確保します。通常、補償用回路は、シャント・レギュレータに付加する形で実装されます。非絶縁型のアプリケーションではPWMコントローラのCOMPピンを介して補償を実現します。補償用回路は、制御方式（電流モード、電圧モード）と、パワー段／フィードバック・パスの動的特性に基づいて設計します。
スイッチング電源の制御において、ループの安定性、高速な過渡応答、高精度のレギュレーションを実現するためには、図2に示すような補償用回路が使用されます。図中のタイプIの回路は、単一の積分器として構成されています。ただ、この種の回路では位相のブーストが制限され、十分な過渡性能が得られません。そのため、スイッチング電源ではほとんど使用されないと言ってもよいでしょう。タイプIの回路は、主に、位相の補正が最小限で済むリニア・レギュレータのように、本質的に安定した動特性を示すシステムに適用されます。それに対し、タイプIIの補償用回路は、積分器だけでなくゼロを生成するための回路を使用して構成されています。この種の回路は、電流モード制御のアーキテクチャに適しています。内側の電流ループが支配的なポールを生じさせるので、外側の電圧ループが簡素化されます。追加されたゼロは位相余裕を拡大し、出力フィルタのポールが安定性に及ぼす悪影響を軽減します。それにより、ループの帯域幅と安定性が改善されます。タイプIIIの補償用回路を強いようとすると、2つのゼロと2つのポールが生じます。このタイプの回路は最も柔軟性が高く、電圧モード制御を採用したシステムで広く使われています。これを利用すれば、高い精度のループ・シェーピングを実現可能です。また、高いクロスオーバー周波数、厳格な出力レギュレーション、堅牢性／安定性を得るためのマージンを確保できます。スイッチング電源で使用する出力フィルタ（LCフィルタ）は2つのポールを生成します。通常はそれらを打ち消すようにゼロが生成されるようにします。一方、ポールは高い周波数領域のゲインを減衰させます。それにより位相余裕が維持され、ノイズが抑制されます。
通常、ループ・ゲインが1になるクロスオーバー周波数はスイッチング周波数の1/10程度に設定します。その目的は、スイッチングに起因する高調波との干渉を回避すると共に、少なくとも45° の位相余裕を確保できるようにすることです。効果的な補償用回路を適用すれば、フィードバック・ループはオーバーシュートや発振を起こすことなく迅速な負荷過渡応答を示します。また、様々な動作条件の下でレギュレーションの精度を確保することが可能になります。なお、ループ帯域幅については慎重にバランスをとる必要があります。同帯域幅は、負荷や入力電圧の動的な変化に対応できるようにするために十分に広く設定しなければなりません。なおかつ、周波数の高いノイズの増幅や安定性の低下を回避できるレベルまで狭くする必要があります。更に、ループの動特性や長期的な信頼性に大きな影響を与える可能性のある現実の非理想的な特性についても考慮しなければなりません。つまり、オプト・カプラのCTRの変動や、温度ドリフト、部品の許容誤差などに配慮する必要があります。
設計に向けた実用的なヒント
以下に、オプト・カプラを使用する絶縁型スイッチング電源の設計に関するヒントを列挙しておきます。
- SPICEモデルやボード線図を利用してループのシミュレーションを実施します。それにより、ゲインと位相の余裕を確認します。実際に基板を設計する際にも、この検証を実施してください。
- オプト・カプラの帯域幅について検討してください。つまり、低い周波数にポールが配置されるようにし、ループの速度を制限します。
- 部品の許容誤差と経年変化の影響も加味して設計マージンを設定してください。
- スイッチングに伴う高調波との干渉を避けるために、クロスオーバー周波数はスイッチング周波数よりも十分に低い値（通常は1/10程度）に設定してください。
- ソフト・スタートの機能と過電流保護の機能を使用し、起動時や障害の発生時に安定性が低下することを防ぎましょう。
本連載のPart 2では、PWMコントローラとシャント・レギュレータ（LT1431）の動的応答について引き続き考察します。絶縁型のフォワード・コンバータを例にとり、過渡的な負荷の変動に対する応答について検討することにします。その中で「LTspice®」によるシミュレーションを利用し、オプト・カプラのバイアスとCTRがフィードバックの精度とループの安定性に及ぼす影響を明らかにします。また、絶縁型のアプリケーションやフィードバックを利用するアプリケーションに適した高性能な代替手段としてiCoupler®技術を紹介します。
まとめ
絶縁型スイッチング電源の設計においては、オプト・カプラを適切にバイアスすることが極めて重要です。しかし、このことが見落とされるケースは少なくありません。オプト・カプラのLED側とフォトトランジスタ側には、適切なバイアスを確実に印加する必要があります。このことは、線形の動作、高精度の信号伝送、長期的な信頼性を確保するために不可欠です。安定性の低下、非線形な動作、性能の劣化を回避するには、IF、CTR、温度ドリフトといった主要なパラメータについて慎重に検討しなければなりません。
また、補償用回路の設計も重要です。それにより、フィードバック・ループの周波数応答を最適化し、変化する負荷や入力ラインに対する安定性を確保できるようにする必要があります。そのためには、タイプIIまたはタイプIIIの補償用回路を使用するべきでしょう。どちらを使用する場合にも、帯域幅、位相余裕、ノイズ耐性のバランスをとり、堅牢性と応答性に優れるレギュレーションを実現する必要があります。
絶縁型スイッチング電源を設計するためには、オプト・カプラのバイアス設定と補償技術について習熟することが重要です。それにより、単に電気的に絶縁されているということではなく、実際の動作条件の下で高い精度／効率／堅牢性が得られるスイッチング電源を構築できます。