DC48VからDC5Vに変換する際、DC-DCコンバータを使用した場合にノイズが発生することが多く、その対策が重要です。特にスイッチングノイズが問題となり、目標としている低ノイズを達成するためには、適切な構成と対策が必要です。本記事では、DC-DCコンバータと3端子レギュレータを組み合わせた場合のノイズ問題とその対策について詳しく解説します。
DC-DCコンバータとスイッチングノイズ
DC-DCコンバータは効率的に電圧を変換するための優れたデバイスですが、その動作中にスイッチングノイズが発生することが一般的です。このノイズは、特に高周波のノイズで、変換器のスイッチング周波数に関連しています。スイッチングノイズが大きくなると、出力電圧にその影響が乗り、照明機器や他のデバイスに干渉することがあります。
具体的には、DC48VからDC5Vへの変換時に、コンバータから出力されるノイズが200mVpp程度に達することがあり、このレベルのノイズは一般的な電子機器には不十分で、特に精密機器や音響機器には影響を与えることがあります。
ノイズの伝搬とコンバータの構成
あなたが提案する構成、すなわち「48V -> コンバータ -> 12V -> レギュレータ -> 5V」のような方法では、DC-DCコンバータのノイズが12Vレベルで発生した後、さらに3端子レギュレータで5Vに変換されます。しかし、この構成でも、スイッチングノイズは5Vに乗っかる可能性があります。
3端子レギュレータ（例えば、LM7805など）は、安定した電圧を提供しますが、入力に含まれるノイズを完全に除去することはできません。したがって、DC-DCコンバータのノイズが12Vの段階で存在していれば、レギュレータの入力にノイズが乗り、そのまま5Vの出力にも影響を及ぼすことになります。
ノイズを低減するための対策
ノイズの低減を目指す場合、いくつかの対策を講じることができます。
- フィルタリングコンデンサの使用 – ノイズを低減するために、コンバータやレギュレータの入力端子に適切な容量のコンデンサを配置することで、高周波ノイズをフィルタリングできます。特に、低ESR（等価直列抵抗）のコンデンサを使用することが効果的です。
- シールドとアース – 配線の長さやレイアウトが長い場合、ノイズが広がりやすいため、シールドやグラウンドプレーンを利用してノイズの漏れを防ぐことが重要です。
- 適切なコンバータの選定 – 大電力用のコンバータを軽負荷で使用するのではなく、負荷に合ったサイズのコンバータを選択することがノイズの発生を抑える一つの方法です。
- インダクタの配置 – 入力と出力にインダクタを追加することで、ノイズの除去が効果的に行えます。
目標とする10mVpp未満のノイズを達成するために
100mA程度の負荷であれば、適切なフィルタリングとコンバータ選定を行えば、10mVpp未満のノイズを達成することは可能です。コンバータの品質が悪い場合、効果的なノイズ対策を施すことで、必要なノイズレベルに近づけることができます。
しかし、物理的な制約や配線長が長いことも考慮すると、最適な構成を見つけることは試行錯誤が必要です。ノイズを最小限に抑えるためには、すべての構成要素が相互に影響し合うため、各段階での調整と検証が重要です。
まとめ
DC-DCコンバータを使用した際のスイッチングノイズは、設計や配線において適切な対策を講じることで軽減できます。複数段階の変換を行う場合でも、各段階でのノイズ対策を行うことが、最終的に目標のノイズレベルを達成するためには不可欠です。適切なコンバータの選定やフィルタリング、シールドの使用など、工夫を重ねることで、10mVpp未満のノイズを実現できるでしょう。
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