LTspiceによる回路シミュレーション、EagleによるPCB設計、試作、EMSによる頒布まで
オーディオ・インタフェースとしてUSBポートを利用する際に、
エアコンのインバータやPCの電源の影響を絶縁する必要が生じる場合があります。
調べてみると、いろいろあるようなので、まとめておきます。
USB2.0の12Mbpsまでのソリューションで、
絶縁型DC/DCコンバータを含まないタイプだとこちら。
絶縁型DC/DCコンバータを含むタイプだとこちら。
USB3.0だと、流通にのっていませんが、
こちら。
USBの場合、
信号の絶縁と電源の絶縁、両方を行う必要があるので、
注意が必要です。
絶縁電圧は、
一般家庭のオーディオ用途であれば、
低い方で十分だと思います。
多チャンネルのオーディオ・インタフェースは、
USBオーディオ・ディバイスを複数ホストした
USBコントローラとして、
認識されるものもあるようで、
USBアイソレータがハブをカスケードできるかの確認が必要です。
高価なケーブルはいい音がすると思いますか？
値段に応じた品質しか手に入らないというのは、単なる思い込みです。
値段は希少性に付いているのであって、音質に付いているわけではありません。
業者は、高価なケーブルを買ってしまう希少なあなたを狙っているわけです。
もちろん、高価なエフェクターと割り切って買う分には問題ありません。
電気工学的には当たり前ですが、心理学的には不都合な真実をまとめておきます。
まず、絶縁をすると何がおきるのか、試してみてください。
信号ケーブルを買い換える前に、絶縁トランス(HD400)を試してみてください。
電源ケーブルを買い換える前に、絶縁トランス(ギタリスト電源)を試してみてください。
アンプとスピーカーを信号系と電源系から絶縁するだけで、音が激変すると思います。
これはなぜでしょうか？
信号系は、PCであろうが、CDトランスポートであろうが、AD/DAであろうが、グランドに起因するノイズを伝播します。それを絶縁するわけです。もちろん、絶縁トランスの帯域に起因する問題とのトレードオフですが。
電源系も同様です。日本の場合、ニュートラルが接地されているので、完全に絶縁するためには、電源トランスで行うか、絶縁トランスを使用しているAC/DCコンバータを使用します。
トランスで減圧した後にSiC SBDなどで整流する場合、電源の周波数に起因する整流ノイズ（100/120Hz)は避けられないことに注意が必要です。
なので、良くできた絶縁型AC/DCコンバータ(PFC/LLC)の方が、可聴帯域の２次側のノイズは、低くなることに注意が必要です。
また、信号系のDC結合とAC結合も低域のカットオフとグランド起因のノイズのデカップリングとのトレードオフになることに注意が必要です。
回路や方式はモデルであって、実際の実装に起因するトレードオフは捨象されていることに注意が必要です。
マーケティング的には、不都合な真実は決して語られることがありません。
科学的な文脈と心理学的な物語は別物です。
UCC28056による遷移モードPFCの基板設計をまとめておきます。
主要部品としては、
PFCコントローラ：
UCC28056B
PFC-Choke:
MOSFET:
Diode:
Buck Converer IC:
を想定しています。
ZCDは補助巻線から行い、
補助電源は降圧コンバータを利用します。
Eagleの回路図です。
Eagleの配線図です。
PFC-Chokeはどちらでもさせるようにしました。
Eagleの基板上面のパターンです。
大電流が流れるところをポリゴンにしています。
Eagleの基板下面のパターンです。
大電流が流れるところと基準電位になるところをポリゴンにしています。
UCC28056による遷移モードPFCの回路設計をまとめておきます。
特徴としては、
CrM（臨界モード）とDCM（不連続導通モード）に
バレースイッチングが組み合わせれているようです。
ディバイスとしては、機能の違いや組み合わせで、4種類あるようです。
ZCDをMOSFETのオン抵抗で行う以外に、
PFC Chokeの補助巻線で行う方法もあるようです。
UCC28056x, Using Auxiliary Winding Voltage for Driving ZCD/CSPin
回路設計はユーザーガイドなどを参考に、
UCC28056 BEVM-296 Evaluation Module
計算ツールで回路定数を決められます。
UCC28056x Design Calculator (Rev. B)
トランスの補助巻線による電源供給について補足です。
100-W Universal Line Input PFCBoost Converter Using theUCC38050
では、補助巻線の出力をC7:100 uF, R10: 220 Ohm 1W, C6: 100 uFでフィルターしています。
を用いて、
250m Ohm, 100uF, 220 Ohm 100uFで計算してみると、
fc=214Hz, -80dB@20kHzとなることがわかります。
比較のために、
を用いて、
250m Ohm, 220uFで計算してみると、
fc=2894Hz, -20dB@30kHzとなることがわかります。
LTspiceによるシミュレーションでも、
容易に確認できますが、
補助巻線の周波数が100kHzと高いため、
平滑コンデンサの分割(Split Reservoir Capacitor)による
フィルタ構成の効果が大きいことがわかります。
トランスの補助巻線による電源供給についてまとめておきます。
PFC Chokeを例にしています。
LT1249と760805410でLTspiceでシミュレーションしてみます。
まず、定常状態のAC半周期(50/2=25Hz=40ms)における補助巻線の電圧です。
巻線比が39:４で出力電圧が382Vなので、
382/39*4=39Vの矩形波電圧の包絡線の底が
-14Vまで下がるような形で変化することがわかります。
この補助巻線電圧にR=220 Ohm, C=0.015uFを介して、
ショットキーダイオードで整流して、
Chold=200uFのホールドキャパシタと
18VのZenerダイオード(1N4746A(Iz=14mA)など)で、
Vcc電圧にしています。
Vcc電流は(Vaux-Vz)*C*f=(39-18)*0.015u*100k=31.5mAに
Rで電流制限をかけた値になるようです。
次に、Vcc電圧の起動時の様子です。
PFCのスイッチングが始まる
Vcc Turn-On Threshold=16.5Vまでは、
ブリッジ整流器の出力から抵抗を介して、
トリクル充電されていき、
スイッチングが始まると、
一時的に電圧が下がるため、
Vcc Turn-Off Threshold=10.5V
を下回らないように、
RとCholdを調整すればよいようです。
最終的に、Zenerダイオードで18Vにシャントされます。
なお、UCC38050の場合は、
Vccが内部Zenerでクランプされているため、
Input current into VCC clamp=30mA
の最大定格を超えないようにする必要があります。
1次側インダクタンス(Lp)、1次側巻数(Np)、2次側巻数(Ns)をパラメータとして、
トランスのLTspiceモデルを構成する場合に、
面倒な計算をしないですむ方法などをまとめておきます。
LTwikiのリンクが参考になります。
.paramでLp, Np, Nsを与えて、
巻数の2乗あたりのインダクタンス(Kn=Lp/Np**2)を導出パラメータとして計算しておき、
コイルのインダクタンスを{Np**2*Kn}のように
パラメータの計算式で指定する方法です。
そのほかにも詳細なトランスのモデル化が必要なアプローチがまとまっていて
とても参考になります。
LinkSwtich-TN2による400V入力12V出力の補助電源の回路設計をまとめておきます。
こちらのリンクが参考になります。
RDR-737 – 1.44 W Non-Isolated Buck Converter Using LinkSwitch-TN2 900 V
補助電源をACやPFCの出力から降圧コンバータを少ない部品で構成できます。
その他主要部品：
ダイオード：
コイル：
HiperLCSによる250kHz 140W LLCコンバータの基板設計をアップデートしたので、
まとめておきます。
変更点：
インダクタ：
補助電源：
ブリッジダイオード：
EAGLEの回路図です。
基板レイアウトです。
基板上面のベタパターンです。
基板下面のベタパターンです。
以降は、試作に続きます。
絶縁型AC/DCコンバータの設置方法をまとめておきます。
こちらのリンクが参考になります。
結論としては、
AC入力のニュートラルとアースを接地し、
1次側はフロートでYキャパシタを経由して2次側から接地する
となります。
1次側を直接、接地してしまうと、
PFC/LLCなどの一次側からAC入力のニュートラルへの
グランドループが発生して、
漏電遮断器が作動します。
また、1次側を直接、接地してしまうと、
グランドからブリッジダイオードの整流ノイズや
PFCのスイッチングノイズが回り込むようです。
