Würth製の結合インダクタを使用して システム監視用3Wデュアル電源の参考設計例

目的:

本記事は産業機器のシステム監視ユニット向けの3V3出力を2系統を備えたデュアル電源の開発についてまとめたものです。ウルト・エレクトロニクス社が公開している設計例を元に、同社の結合インダクタを使用しています。

公称24Vのバッテリーで動作する設備の特性上、電源ユニットにはグランド基準回路用の3.3V電源と、リモート監視回路用の同じく3.3Vの絶縁電源が必要でした。各出力は公称200mA、短時間ピーク電流は250mAです。このタイプの電源は、センサーやデータ収集システムなど、産業オートメーションの様々な用途に使用できます。

設計には高い信頼性が求められるため、高品質な部品を用います。

回路が物理的に離れている可能性があり、異なる配電回路上の異なる接地点を基準としている可能性があるため、絶縁が必要です。これにより、電源障害が発生して接地電位差が発生した場合でも保護が確保されるだけでなく、接地ループを排除することで、通常発生する小さな接地電位差による損傷も防止できます。この設計は、高い絶縁電圧での常時動作を想定したものではありません。この設計に選択した 基板CADはDesignSpark PCBです。

機能仕様:

24V 入力と 3V3 出力間の電圧差が大きいため、過度の電力損失や信頼性に影響を与える極端な温度を回避するには、高効率設計が必要です。

24V バッテリーは、LiFePO4 タイプのリン酸鉄リチウム バッテリーです。

設置するバッテリーの充電仕様より、バッテリー寿命を延ばすための充電電圧は、10%充電時の20Vから90%充電時の29Vまでとなります。

これで最小限の機能仕様が完成しました。

入力から出力までの電圧の差が大きいため、理想的には高圧コンバータのような効率的なスイッチング設計が求められます。

こちらのウルト・エレクトロニクス社（Würth Elektronik）のエキスパートへのインタビュー記事が参考になると思います。

また、本回路に使用されている多数のコンデンサについても、ウルト・エレクトロニクス（Würth Elektronik） のこちらの記事がためになります。

これらを念頭に、Würth Elektronik社のウェブサイトを調べたところ、基本的な要件をすべて満たす非常に詳細なリファレンスデザイン（参考設計例）が見つかりました。必要なのは低電圧レギュレータ回路の追加のみです。このリファレンスデザインを、今回の設計と土台として活用させて頂きました。

通信インターフェースおよび測定システム用の3Wデュアル出力絶縁補助電源

Würth社の記事の最後には、RD006の資料についてのリンクがあります。この資料には、回路の詳細な説明、性能、分析が記載されており、このリファレンスデザインに基づいて設計を行うことに大きな安心感を与えます。回路のスイッチング周波数は480kHzで動作するため、コンパクトな設計が可能で、選択されたインダクタは磁気シールドされた結合型インダクタであり、これは理想的です。

Würth は、Eagle用のコンポーネントライブラリも公開していました。これらは DSPCB でもそのまま開くことができるので、このまま読み込み多少修正して使うことにしました。結果として、DSPCBで作成した回路図は次のとおりです。

Vin は左側にあり、2 つの出力は右側に配置しています。

インダクタL1（Wurth Elektronik製結合インダクタ 76889440330 | ニッケル亜鉛コア、33 μH |  （258-5791））はこの設計の重要な部分です。効率、薄型、そして低損失と低リークインダクタンスで2.0kVの絶縁電圧を提供するという特長を備えています。

また、磁気シールド型の結合インダクタでもあります。技術データシートはこちらでご覧いただけます：WE-TDC HV SMT結合インダクタ - 76889440330

Würth Elektronik製のインダクタ WE-TDC シリーズは、現代の電力設計要件を満たす汎用性と信頼性を備えています。

Würthのリファレンス デザインを使用すると、要件を満たすための追加回路は、図に示た出力部分のみとなります。

レギュレータはDiodesZetex AP7333-33SRG-7 （751-3106）を選択しました。Würthのリファレンス デザインの非調整電圧出力と一致する300mA の負荷を供給できます。

ノイズ低減のため、レギュレータ入力には1μF以上のコンデンサを接続することをお勧めします。Würthの設計では、これらのコンデンサはC3とC4として提供されています。

出力コンデンC10 と C11は安定性のために必要です。

Würthのリファレンスの「テスト済み」の利点を最大限に活かすべく、可能な限り元のレイアウトに近づくよう基板設計しました。

以下にPCBレイアウトを示します。DSPCB互換の回路図とPCB設計ファイルは本ページしたに添付しています。

Top Copper（表面）:

Bottom Copper（裏面）:

入力電源グランドと絶縁グランド間のギャップに注目ください。これは Würth の設計と一致しており、L1 と C7 のパッド間隔も揃えています。

より高い絶縁が必要な場合は、L1とC7の両方の下にミリングスロットを追加することで沿面距離を拡大できます。また、必要な絶縁ギャップに合わせてグランド領域（ベタ領域）も調整する必要があります。

ウルト・エレクトロニクス（Würth Elektronik）のインダクタ製品:

Würth Elektronikは、プロフェッショナルな設計に必要な高品質な部品と優れたデータを提供しています。パワーインダクタ、RF部品、EMCソリューションなど、Würth Elektronikは幅広い用途に最適なインダクタを提供しています。Würth Elektronikの幅広いインダクタ製品の中から一部のシリーズ製品の特長をご紹介します。

シールド結合インダクタ - WE-TDCシリーズ

• 高い分離性と効率性
• コンパクトなフォームファクター
• スイッチングレギュレータの信頼性の高いパフォーマンス
• 低EMIと高い熱安定性

シールドパワーインダクタ - WE-PDシリーズ

• 高電流処理
• 磁気シールドによりEMIを低減
• スイッチングレギュレータやLEDドライバに最適

デュアル結合インダクタ - WE-DDシリーズ

• SEPIC、CUK、フライバックトポロジーに最適化
• 低直流抵抗のフェライトコア
• 柔軟な統合のために複数のサイズを用意

モールドパワーインダクタ - WE-PMCI & WE-PMFI

• 超薄型
• 平型または丸型のワイヤーオプション
• 高振動環境用に設計

便利なキット品

• 試作や評価にすぐ使える
• インダクタ部品の評価や選定に最適

ウルト・エレクトロニクス（Wurth Elektronik）の特徴

• 詳細なデータシートとアプリケーションノートの付属した精密な製品群
• RSグループを通じて世界中で手軽に入手
• 長期供給、信頼性を実現する革新的な素材と構造
• 柔軟なカスタマイズ、および技術コンサルティング
• 検証済みの部品部ライブラリ・CADモデルの提供

*DSPCBの有料サブスクプランの方は、ソフトウェア上からSnapMagicのWurth部品のライブラリを直接ダウンロードする事が出来ます。

小型のちょっとした民生電子機器から重厚堅牢な産業用回路を構築する場合でも、Würth Elektronik のインダクタは設計に必要なパフォーマンス、柔軟性、信頼性を提供します。

Würth Elektronik社は、エレクトロニクス業界向けの電子部品および電気機械部品のメーカーであり、先駆的な電子ソリューションを先導するテクノロジー企業です。Würth Elektronikは、ヨーロッパ最大級の受動部品メーカーの一つであり、50カ国で事業を展開しています。

Würth Elektronikの部品は、品質、柔軟性、信頼性の面で卓越した価値を提供しています!

ダウンロードファイル:

Dual 5V 3W PSUのリファレンス設計データ（DSPCBフォーマット）

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