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出典検索?: "スイッチング電源" ? ニュース ・ 書籍 ・ スカラー ・ CiNii ・ J-STAGE ・ NDL ・ dlib.jp ・ ジャパンサーチ ・ TWL（2013年6月）

スイッチング電源（スイッチングでんげん、英語：switched-mode power supply、略称：SMPS）あるいはスイッチング方式直流安定化電源とは、スイッチングトランジスタなどを用い、フィードバック回路によって半導体スイッチ素子のオン・オフ時間比率（デューティ比）をコントロールする事により出力を安定化させる電源装置である。スイッチング式直流安定化電源とも呼ぶ。商用電源の交流を直流電源に変換する電力変換装置などとして広く利用されており、小型、軽量で、電力変換効率も高い。一方で、高速にスイッチングを行う事からEMIが発生しやすい。
概要

交流は直流に整流され、スイッチングレギュレータと呼ぶ電力調整部分には、起動回路、平滑回路、過電流・過電圧保護回路、ノイズフィルタ回路等が付加されている[1]。

リニアレギュレータのように、高い入力電圧から低い電圧を得るために電圧降下分を半導体素子の能動領域や抵抗に合わせジュール熱として放出する方式とは異なり、半導体素子の飽和領域と遮断領域における動作のみで所望する電圧を得ることができるため、半導体素子の電力損失を少なくでき、電力変換効率が高い[1]。

スイッチング電源には「降圧（ステップダウン）、昇圧（ステップアップ）、昇降圧」という分類と「定電圧、定電流、定電力」という分類がある。出力電圧制御は、スイッチングレギュレータ部のデューティ比で行う。デューティ比の設定は、出力電圧の検出電圧と基準電圧を誤差増幅器によって比較しスイッチングレギュレータ部に帰還をかけることで行う[2]。入力・出力間を絶縁する場合は、誤差増幅信号をフォトカプラでスイッチングレギュレータ部に伝達する。スイッチングレギュレータ部のオン・オフ周波数は高いほど電圧の変動（リップル）が小さくなり高速な応答が可能であり、使用するトランス、平滑リアクトル、コンデンサ等の小型化も可能となり、電源全体の小型化、軽量化を図ることができる。回路設計においては、伝導ノイズや不要輻射も考慮される。LED点灯回路など電圧による制御が困難・非効率な場合には定電流型を使用する[3]。
長所

電力消費が少なく、高効率（最大96%）（スイッチング電源では、インダクタやコンデンサなどの理想的な損失のほぼない蓄電素子を切り替えることで出力電圧/電流を変化させるため、高い効率を実現する。リニアレギュレータでは余剰電力を熱に変換して出力電圧/電流を調整するため、電圧差が無駄になり最大電力効率は電圧-出力/電圧-入力となり、効率が低くなる）

待機時の電力損失がトランスに比べてはるかに少ない

小型化、低ノイズ化、軽量化が可能で発熱量が小さい（重量のあるライン周波数（50Hz/60Hz）のトランスが不要なため）

短所

構造が複雑になる

ローパスフィルターで遮断しなければならない高振幅・高周波エネルギーが発生する（電磁干渉（EMI）を避けるため）

スイッチング周波数のリップル電圧とその高調波が発生する

注意点

簡易なスイッチング電源では、電気的なスイッチングノイズを主電源ラインにカップリングし、A/V機器などの同相に接続された機器に干渉を与える可能性がある。

力率補正されていないスイッチング電源は高調波を発生させる。

非絶縁DC-DCコンバータの回路形式

スイッチング制御DC-DCコンバータの基本は、直流電源の電力を間欠的に伝達するスイッチと、電流を制限すると共に電力を磁力として蓄積するコイルである。

殆どの場合、コンデンサが負荷に並列接続される。コンデンサはコイルと共に電力の蓄積と電圧の平滑化、スイッチングノイズの低減に用いられる。

降圧型（ステップダウン）Buck converter circuit diagram.

バックコンバータとも呼ばれる。

降圧型は、電力をスイッチングして間欠制御した後、コイルを使用して電流を制限する。スイッチオフ時は、ダイオード（またはMOSFET等のスイッチ）によってコイルに蓄積された磁気エネルギーが電流となって流れる。

バックコンバータは、コイルに流れる電流が、常時、負荷に流れる、という特徴を有する。

バックコンバータのチョークコイルは、入力電圧にスイッチオン時間の割合を乗じることで、入力電圧を出力電圧に降下させる働きを有する[4]。換言すれば、チョークコイルには電圧を変換する働きはあるが、電力の形態(電圧×電流)を変換する能力はない。高電圧低電流を低電圧大電流に、あるいはその逆に変換する機能は、電気エネルギーを一旦磁気エネルギーに変換することで電力の形態を変換するトランスにしか存在しない。

昇圧型The basic schematic of a boost converter. The switch is typically a MOSFET, IGBT, or BJT.

ブーストコンバータとも呼ばれる。

コイルの一端を電源に接続するスイッチと、電源電圧を順方向に負荷へ伝達するダイオード（またはMOSFET等のスイッチ）よりなる。

スイッチオン時は電源からコイルに電力が供給され、スイッチオフ時は電源->コイル->ダイオードを通じて、負荷に電力が供給される。スイッチオフ時において、負荷には電源の電圧に加え、コイルの逆起電力によって発生する電圧が重畳されるため、電源の電圧よりも高い電圧が負荷に印加される。

ブーストコンバータは、電源から供給される電流が、常時、コイルに流れる、という特徴を有する。

昇降圧型The basic schematic of an inverting buck–boost converter.

バックブーストコンバータとも呼ばれる。

コイルの一端を電源に接続するスイッチと、電源電圧の極性に対して逆方向に負荷へ電力を伝達するダイオード（またはMOSFET等のスイッチ）よりなる。

スイッチオン時は電源からコイルに電力が供給され、スイッチオフ時は電源の電力が遮断されると共に、コイルの逆起電力がダイオードを通じて負荷に供給される。スイッチオフ時において、負荷にはコイルの逆起電力によって発生する電圧のみ与えられるため、ブーストコンバータとは異なり、電源の電圧よりも高い電圧のみならず、電源の電圧よりも低い電圧を負荷に印加することが可能になる。

バックブーストコンバータは、スイッチングの度に、コイルに流れる電流が、電源からコイルに供給される電流と、コイルから負荷に流れる電流とで、交互に切り替わる、という特徴を有する。

バックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータの安定性

バックコンバータは、スイッチの状態にかかわらず常時コイルの電流が負荷に流れる。このため、コンデンサを省略しても負荷には電流が連続的に流れるし、スイッチのオンオフタイミングをどの様に変化させても、バックコンバータはその機能を果たす。よって、出力電圧をコンパレータで基準電圧と比較して、コンパレータ出力で直接スイッチを制御しても、バックコンバータは成立する。近年多数流通している低価格帯のLEDドライバICはこの制御方式を採用している[5][6][7][8]。

しかし、ブーストコンバータとバックブーストコンバータは、スイッチの状態によってコイルの電流が負荷に流れる時と流れない時がある。このため、負荷に対して電流を常時供給する場合において、コイルの電流が負荷に流れない時はコンデンサが代わりの役割を担う必要があり、よってコンデンサを省略する事はできない。また、制御信号を決定するには、スイッチのオンオフの一周期が終わって、得られた出力電圧の平均値から判定しなければならない。したがって、バックコンバータの様に前述のコンパレータを用いる簡易的制御は不可能であり、スイッチの制御方式はPWM又はPFMが必須とならざるを得ない。

スイッチのオンオフ時間の比率を時比率という。バックコンバータの入出力電圧比は時比率 D = T o n / T s {\displaystyle D=T_{\mathit {on}}/T_{s}} （Ton:スイッチのオン時間、Ts:スイッチのオンオフ時間、つまりスイッチ制御周期）として V o / V i = D {\displaystyle V_{o}/V_{i}=D}

つまり、バックコンバータの入出力電圧比は時比率Dに等しい。この入出力電圧比を時比率Dで微分すると1になり、スイッチのオンオフ時間の変化に対する出力電圧の変化は完全に線形であることがわかる。すなわち、バックコンバータは本質的に安定である。