AC100-12V-6W級 / AC-DCコンバータの制作

主要部品の選定

AC-DCコンバータに採用する電源コントローラは、概ね9W級以下であれば、定格電圧が1000Vと高い FSR4110LRN が候補となります。

定格電圧が1000Vであれば、AC100Vだけでなく、AC220VやAC440V入力でも扱えるため、このコントローラを使えるようになれば、入力電圧範囲が広がります。

コントローラのデータシートは、Onsemi製 FSR4110LRN で参照できます。

2026年11月現在、ロチェスターエレクトロニクスで入手が可能となっています。

FSL4110LRNの特徴は以下のとおりです。

このコントローラのスイッチング周波数は50[kHz]固定で、1次側の電流が0.52[A]で強制プロテクトがかかり、これが上限電流値となります。

また、さまざまなプロテクト機能も満載されており、安全に使うことができそうです。

今回はできるだけ小型化したいため、EPCコアを採用します。

EPCコアは、サイズ別に EPC10〜EPC30 があります。

サイズ選定は、さまざまな手法がありますが、ここでは、中間サイズのコアを見積もりして、過剰スペックの場合はサイズを下げていき、不足スペックの場合はサイズを上げていく手法を採用します。

それぞれのコアには巻線断面積が決まっており、エナメル線の直径が決まれば、巻数上限の制約があります。

エナメル線の直径は太いほどいいですが、巻数が減るため、1次側電流で支障のない範囲で細いものを選定します。

1次側電流は、1次側入力電圧と定格電力で以下のように決まります。

$I_{max} = \frac{P_{max}}{(V_{ac} \times \sqrt{2})} = \frac{6[W]}{(100[V] \times \sqrt{2})}$ = 0.0424[A] = 42.4[mA]

概ね2倍程度マージンを取ると安全電流80[mA]のUEW2種エナメル線である0.2mm径となります。

0.2mm径の最大仕上がり径は0.231mmとなり、1本あたりの専有断面積は仕上がり径の方形のため、 $0.231 \times 0.231$ = 0.05336[ $mm^{2}$ ] となります。

全体の巻線数で1次側と2次側の配分は、原理上、電圧比で決めます。

1次側は入力電圧の最大値に電圧変動のマージン10%の下限で $100[V] \cdot \sqrt{2} \times 0.9 = 127.3[V]$ です。

電源コントローラ用電源がデータシート記載の14[V]、2次側の出力電圧12[V]となりますが、制御マージンを持たせるため、マージンを65%とすると $(14[V] + 12[V]) \div 0.65 = 40[V]$ となります。

そのため、1次側の巻線比率は、 $\frac{127.3}{127.3 + 40} = 76.1[\%]$ となります。

コアで扱える電力がそのままコンバータで使えないため、コアのマージン80%、コンバータの効率80%ほどとみておくと、コアで扱える電力の概ね64%程度が6[W]を上回っていればいいわけです。

まず、対象となるコアのボビンに通せる断面積を求めますが、BEPC19-1110CPHFR では、高さが図面の 6.0mm(F)-1.1mm(M)=4.9mm で幅が2.0mm(O1/O2)となり、巻線の断面積は、 $4.9 \times 2.0 = 9.8[mm^2]$ となります。

理論上、0.2mm径を巻数上限値は、 $9.8[mm^2] \div 0.05336[mm^2]$ = 183 となります。

1次側の巻線上限数は、 $183 \times 0.761 = 139$ となります。

その場合、ギャップが0.3mmの場合、 $NI_{40\%}$ が概ね0.54[A]となり、コントローラの0.52[A]に近くなります。

ギャップ0.3mmのときの $A_{L}$ 値は以下のとおりです。

$A_{L} = 45.231 \times 0.3^{-0.6839} = 103.05[nH/N^2]$

そのときの $NI_{40\%}$ は以下のとおりです。

$NI_{40\%} = 6587[nH/N^2] \times 103.05^{-9672} = 0.54[A]$

1次側のインダクタンス値は以下のとおりです。

$L = A_L \times N^2 = 103.05 \times 139^2 =$ 1991000[nH] = 1.991[mH]