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スイッチング電源（SMPS）は、スイッチングモード電源、スイッチモード電源、スイッチド電源、または単にスイッチャーとも呼ばれ、電気エネルギーを効率的に変換するためにスイッチングレギュレータを組み込んだ電子電源です。
他の電源と同様に、スイッチング電源（SMPS）は、電圧と電流の特性を変換しながら、直流または交流電源（多くの場合、主電源、ACアダプタを参照）からパーソナルコンピュータなどの直流負荷に電力を供給します。リニア電源とは異なり、スイッチング電源のパストランジスタ[ a ]は、低消費電力の完全オン状態と完全オフ状態の間を連続的に切り替え、高消費電力の遷移に費やす時間が非常に短いため、エネルギーの無駄が最小限に抑えられます。電圧調整は、オン時間とオフ時間の比率（デューティサイクルとも呼ばれる）を変化させることによって実現されます。これに対し、リニア電源は、パストランジスタで継続的に電力を消費することによって出力電圧を調整します。スイッチング電源の高い電気効率は重要な利点です。
スイッチング電源は、トランスをはるかに小型化できるため、リニア電源よりも大幅に小型軽量化できます。これは、リニア電源のトランスが使用する50Hzまたは60Hzの主電源周波数とは異なり、スイッチング周波数が数百kHzから数MHzと高いためです。トランスのサイズは小さくなりますが、商用設計における電源トポロジーと電磁両立性要件により、通常は部品点数が大幅に増加し、回路も複雑化します。
スイッチングレギュレータは、より高い効率、より小型、またはより軽量な回路が必要な場合に、リニアレギュレータの代替として使用されます。しかし、スイッチングレギュレータはより複雑であり、スイッチング電流を適切に抑制しないと電気ノイズの問題を引き起こす可能性があり、単純な設計では力率が低下する場合があります。
リニア電源（非スイッチング電源）は、リニアレギュレータを用いて、抵抗器やパストランジスタのコレクタ・エミッタ間における抵抗損失などで電力を消費し、所望の出力電圧を供給します。リニアレギュレータは、熱として電力を消費することで出力電圧または電流を制御するため、入力電圧と出力電圧の差が無駄になる分、最大電力効率は出力電圧を入力電圧で割った値となります。
対照的に、スイッチング電源（SMPS）は、インダクタやコンデンサなどの理想的には損失のない蓄積素子を異なる電気的構成間で切り替えることで、出力電圧と電流を変化させます。理想的なスイッチング素子（アクティブモード以外で動作するトランジスタで近似）は、オン時には抵抗がなく、オフ時には電流が流れないため、理想的な部品を使用したコンバータは100%の効率で動作します（つまり、入力電力はすべて負荷に供給され、放熱として電力が無駄になることはありません）。実際には、このような理想的な部品は存在しないため、スイッチング電源は100%の効率にはなりませんが、それでもリニアレギュレータに比べて効率が大幅に向上します。
スイッチング電源（SMPS）の設計では、さまざまなスイッチング構成が用いられます。昇圧コンバータは、直流信号用の昇圧トランスのように動作します。降圧昇圧コンバータも同様に動作しますが、出力電圧は入力電圧とは逆極性になります。その他にも、電圧を下げて平均出力電流を昇圧する降圧回路が存在します。
スイッチング電源の主な利点は、スイッチングトランジスタがスイッチとして動作しているときに消費電力が少ないため、リニアレギュレータよりも効率が高く（最大約98～99% [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]）、発熱量も少ないことです。
その他の利点としては、重くて高価な商用周波数変圧器が不要になるため、小型化と軽量化が実現できる点が挙げられます。また、これらの変圧器が不要になることで、待機電力損失も低減されることがよくあります。
デメリットとしては、複雑さが増すこと、電磁干渉（EMI）を避けるためにローパスフィルタが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こと、スイッチング周波数とその高調波周波数でリップル電圧が発生することなどが挙げられます。
非常に低価格なスイッチング電源（SMPS）は、電気的なスイッチングノイズを主電源線に結合させてしまい、オーディオ機器など、同じ交流回路に接続されている機器に干渉を引き起こす可能性があります。力率補正機能のないSMPSは、高調波歪みも引き起こします。
安定化電源には、主にスイッチング電源（SMPS）とリニア電源の2種類があります。以下の表は、リニア電源とスイッチング電源を一般的に比較したものです。
SMPSにAC入力がある場合、最初の段階は入力をDCに変換することです。これは整流と呼ばれます。DC入力のSMPSはこの段階を必要としません。一部の電源（主にコンピュータのATX電源）では、手動または自動で操作するスイッチを追加することで、整流回路を電圧ダブラーとして構成できます。この機能により、通常115 VACまたは230 VACの電源からの動作が可能になります。[ 35 ]整流器は非安定化DC電圧を生成し、それが大きなフィルタコンデンサに送られます。この整流回路によって主電源から引き込まれる電流は、AC電圧のピーク付近で短いパルスとして発生します。これらのパルスは大きな高周波エネルギーを持ち、力率を低下させます。これを補正するために、多くの新しいSMPSは、入力電流をAC入力電圧の正弦波形状に追従させ、力率を補正する特別な力率補正（PFC）回路を使用します。アクティブPFCを使用する電源は通常、オートレンジングで、入力電圧をサポートします。90～264 VAC、[ 36 ]入力電圧セレクタースイッチなし。
AC入力用に設計されたSMPSは、DCが整流器をそのまま通過するため、通常はDC電源で動作させることができます。[ 37 ]電源が115 VAC用に設計されており、電圧セレクタースイッチがない場合、必要なDC電圧は163 VDC（115 × √2）になります 。[ c ]一方、電源にDelon回路に基づく115/230 V用の電圧セレクタースイッチがある場合（コンピュータのATX電源は通常このカテゴリに属します）、セレクタースイッチを230 Vの位置に設定する必要があり、必要な電圧は325 VDC（230 × √2）になります。 [ d ] [ 38 ]
インバータ段は、入力から直接、または上述の整流段から得られた直流を、数十キロヘルツから数百キロヘルツの周波数で出力トランスを備えた非常に小型の巻線を持つ電力発振器を通して交流に変換します。周波数は通常 、人間の耳には聞こえないように20kHz以上に設定されます。スイッチングは、高利得を実現するために多段構成のMOSFETアンプによって実現されます。MOSFETは、オン抵抗が低く、電流処理能力が高いトランジスタの一種です。
主電源装置のように、出力と入力を分離する必要がある場合は、反転交流を用いて高周波トランスの一次巻線を駆動します。これにより、電圧が二次巻線上で必要な出力レベルに昇圧または降圧されます。ブロック図の出力トランスはこの目的のために用いられます。
直流出力が必要な場合、変圧器からの交流出力は整流されます。出力電圧が10ボルト以上の場合は、一般的に通常のシリコンダイオードが使用されます。低電圧の場合は、整流素子としてショットキーダイオードが一般的に使用されます。ショットキーダイオードは、シリコンダイオードよりも回復時間が速く（より高い周波数で低損失動作が可能）、導通時の電圧降下も小さいという利点があります。さらに低い出力電圧の場合は、同期整流器としてMOSFETが使用されることがあります。ショットキーダイオードと比較して、MOSFETは導通時の電圧降下がさらに小さくなります。
整流された出力は、インダクタとコンデンサで構成されるフィルタによって平滑化される。スイッチング周波数を高くするには、静電容量とインダクタンスの低い部品が必要となる。
より単純な非絶縁型電源は、トランスの代わりにインダクタを使用します。このタイプには、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、および昇降圧コンバータが含まれます。これらは、1つのインダクタと1つのアクティブスイッチを使用する、最も単純なクラスの単一入力、単一出力コンバータに属します。降圧コンバータは、導通時間と全スイッチング周期の比（デューティサイクルと呼ばれる）に正比例して入力電圧を下げます。たとえば、 デューティサイクルが50%で動作する10V入力の理想的な降圧コンバータは、平均出力電圧が5Vになります。 フィードバック制御ループを使用して、デューティサイクルを変化させて入力電圧の変動を補償することにより、出力電圧を調整します。昇圧コンバータの出力電圧は常に入力電圧よりも大きく、昇降圧コンバータの出力電圧は反転しますが、入力電圧の大きさよりも大きい、等しい、または小さい場合があります。このクラスのコンバータには多くのバリエーションと拡張がありますが、これら3つは、ほとんどすべての絶縁型および非絶縁型DC-DCコンバータの基礎を形成します。 2つ目のインダクタを追加することでĆukコンバータやSEPICコンバータを実現でき、さらにアクティブスイッチを追加することで様々なブリッジコンバータを実現できる。
他のタイプのスイッチング電源は、インダクタとトランスの代わりにコンデンサとダイオードによる電圧逓倍回路を使用します。これらは主に低電流で高電圧を生成するために使用されます（コッククロフト・ウォルトン発電機）。低電圧型はチャージポンプと呼ばれます。
フィードバック回路は出力電圧を監視し、基準電圧と比較します。設計や安全要件によっては、コントローラにDC出力から絶縁するための絶縁機構（フォトカプラなど）が組み込まれている場合があります。コンピュータ、テレビ、ビデオデッキなどのスイッチング電源には、出力電圧を厳密に制御するためにこれらのフォトカプラが使用されています。
オープンループレギュレータにはフィードバック回路がありません。代わりに、トランスまたはインダクタの入力に一定電圧を供給することで、出力が正しい値になることを前提としています。レギュレータ設計では、トランスまたはコイルのインピーダンスを補償します。モノポーラ設計では、コアの磁気ヒステリシスも補償します。
フィードバック回路は発電する前に動作するための電力を必要とするため、待機用として非スイッチング電源が追加されている。
交流電源線から電力を得るスイッチング電源（「オフライン」コンバータと呼ばれる[ 39 ] ）には、ガルバニック絶縁のためのトランスが必要です。一部のDC-DCコンバータにもトランスが含まれている場合がありますが、これらの場合、絶縁は重要ではないかもしれません。SMPSトランスは高周波で動作します。オフライン電源のコスト削減（およびスペース削減）の大部分は、以前使用されていた50/60 Hzトランスと比較して高周波トランスのサイズが小さいことによるものです。他にも設計上のトレードオフがあります。[ 40 ]
変圧器の端子電圧は、コア面積、磁束、周波数の積に比例します。周波数を大幅に上げることで、コア面積（ひいてはコアの質量）を大幅に削減できます。しかし、周波数が高くなるにつれてコア損失は増加します。コアには一般的に、高周波および高磁束密度において損失の少ないフェライト材料が使用されます。低周波（400 Hz未満）変圧器の積層鉄心は、 数キロヘルツのスイッチング周波数では損失が許容範囲を超えてしまいます。また、高周波ではスイッチング半導体の遷移時に失われるエネルギーも大きくなります。さらに、寄生要素が大きくなるにつれて回路基板の物理的なレイアウトに一層注意を払う必要があり、電磁干渉もより顕著になります。
低周波数（例えば、50Hzまたは60Hzの線路周波数）では、設計者は通常、表皮効果を 無視できます。これらの周波数では、導体の直径が0.3インチ（7.6mm ）を超えるような大きな導体の場合にのみ、表皮効果が顕著になります。
スイッチング電源では、表皮効果が電力損失の原因となるため、より注意を払う必要があります。500kHzでは 、銅の表皮深さは約0.003インチ（0.076mm ）で、これは電源に使用される一般的な電線よりも小さい寸法です。電流が導体の表面付近に集中し、内部を流れる電流が低周波数の場合よりも少なくなるため、導体の実効抵抗が増加します。
表皮効果は、高速パルス幅変調（PWM）スイッチング波形に含まれる高調波によって悪化する。適切な表皮深さは、基本波の深さだけでなく、高調波の表皮深さも含まれる。[ 41 ]
表皮効果に加えて、近接効果も存在し、これも電力損失のもう一つの原因となる。
シンプルなオフライン型スイッチング電源は、大型の蓄電コンデンサに接続されたシンプルな全波整流回路で構成されています。このようなスイッチング電源は、主電源の瞬時電圧がこのコンデンサの両端電圧を超えたときに、交流電源から短いパルスで電流を引き込みます。交流サイクルの残りの期間、コンデンサは電源にエネルギーを供給します。
その結果、このような基本的なスイッチング電源の入力電流は高調波成分が多く、力率が比較的低くなります。これにより、電力線に余分な負荷がかかり、建物の配線、電力会社の変圧器、標準的な交流電動機の発熱が増加し、非常用発電機システムや航空機用発電機などの一部の用途では安定性の問題が発生する可能性があります。高調波はフィルタリングによって除去できますが、フィルタは高価です。線形誘導性負荷または容量性負荷によって生じる変位力率とは異なり、この歪みは単一の線形コンポーネントを追加しても修正できません。短い電流パルスの影響を打ち消すには、追加の回路が必要です。オフライン整流器の後に電流制御ブーストチョッパ段を配置して（蓄積コンデンサを充電するため）、力率を修正できますが、複雑さとコストが増加します。
2001年、欧州連合は、75Wを超える機器の交流入力電流の40次高調波までの制限値を定める規格IEC 61000-3-2 を施行しました。この規格では、機器の種類と電流波形に応じて4つのクラスが定義されています。最も厳しい制限値（クラスD）は、パーソナルコンピュータ、コンピュータモニタ、およびテレビ受信機に課せられています。これらの要件を満たすため、最新のスイッチング電源には通常、力率改善（PFC）段が追加されています。
スイッチング電源は、回路構成によって分類することができる。最も重要な違いは、絶縁型コンバータと非絶縁型コンバータである。
非絶縁型コンバータは最も単純で、3つの基本タイプはエネルギー蓄積に単一のインダクタを使用します。電圧関係の列では、Dはコンバータのデューティサイクルであり、0から1まで変化します。入力電圧（V 1）は0より大きいと想定されます。負の場合は、一貫性を保つために出力電圧（V 2）を負にします。
機器が人手に届く範囲にある場合、安全認証（UL、CSA、VDE承認）には、交流電圧が30V（実効値）以下、ピーク電圧が42.4V以下、直流電圧が60V 以下、電力制限が250VA以下であることが適用されます。
バック、ブースト、バックブーストの各トポロジーは密接に関連しています。入力、出力、グランドは一点で接続されます。この3つのうち1つは途中でインダクタを通過し、残りの2つはスイッチを通過します。2つのスイッチのうち1つはアクティブ（例えばトランジスタ）である必要があり、もう1つはダイオードでも構いません。接続のラベルを変更するだけでトポロジーを変更できる場合もあります。例えば、12V 入力、 5V出力のバックコンバーターは、出力をグランドに接続し、グランドピンから出力を取り出すことで、7V入力、-5V出力のバックブースト コンバーターに変換できます。
同様に、SEPICコンバータとZetaコンバータはどちらもĆukコンバータをわずかに再構成したものである。
ニュートラルポイントクランプ（NPC）トポロジーは電源やアクティブフィルタで使用されており、ここでは完全性のために言及する。[ 43 ]
スイッチング電源は、デューティサイクルが極端に短くなると効率が低下します。大きな電圧変動には、変圧器（絶縁型）構成の方が適している場合があります。
すべての絶縁型トポロジーにはトランスが含まれているため、巻数比を調整することで入力電圧よりも高いまたは低い出力電圧を生成できます。[ 44 ] [ 45 ] 一部のトポロジーでは、トランスに複数の巻線を配置して複数の出力電圧を生成できます。[ 46 ]一部のコンバーターはトランスーをエネルギー貯蔵に使用しますが、他のコンバーターは別のインダクターを使用します。
チョッパコントローラ：出力電圧は入力電圧と連動しており、非常に厳密に制御されます。
準共振ゼロ電流/ゼロ電圧スイッチ（ZCS/ZVS）では、「各スイッチサイクルで量子化されたエネルギーの『パケット』がコンバータ出力に供給され、スイッチのオン/オフはゼロ電流とゼロ電圧で行われるため、実質的に損失のないスイッチとなる。」[ 50 ]準共振スイッチング（バレースイッチングとも呼ばれる）は、 2つの方法で電源のEMIを低減します。
入力電圧が高く、同期整流モードを採用することで、変換プロセスはより効率的になります。コントローラの消費電力も考慮する必要があります。スイッチング周波数を高くすると部品サイズを縮小できますが、RFIが増加する可能性があります。共振フォワードコンバータは、従来のハードスイッチングに比べてソフトスイッチング共振波形を使用するため、あらゆるSMPS方式の中で最も低いEMIを実現します。
SMPSは温度に敏感な傾向があります。25 ℃を超えると 、10～15℃ごとに故障率が2倍になります。[ 51 ]ほとんどの故障は、不適切な設計と不適切な部品選択に起因します。[ 52 ]
寿命を迎えたコンデンサや、コンデンサの不具合などの製造上の欠陥があるコンデンサを備えた電源は、いずれ故障します。静電容量が減少するかESRが増加すると、レギュレータはスイッチング周波数を上げることで補償しますが、その結果、スイッチング半導体はますます大きな熱ストレスにさらされます。最終的にスイッチング半導体は、通常は導通的に故障します。フェイルセーフ保護のない電源の場合、これにより接続された負荷が入力電圧と電流の全量にさらされ、出力に激しい振動が発生する可能性があります。[ 53 ]
スイッチングトランジスタの故障はよくあることです。このトランジスタは大きなスイッチング電圧（力率補正なしの230V交流電源では約325V 、それ以外の場合は通常約390V）を扱わなければならないため、トランジスタが短絡し、その結果、内部の主電源ヒューズがすぐに切れてしまうことがよくあります。
民生品に搭載されている電源装置は、送電線への落雷や、熱や静電気に引き寄せられた昆虫による内部短絡などによって頻繁に損傷を受ける。これらの事象は、電源装置のあらゆる部分に損傷を与える可能性がある。
メインフィルタコンデンサは、入力電源が切断された後も、最大325ボルトの電圧を長時間保持することがよくあります。すべての電源装置に、コンデンサをゆっくりと放電する小型の「ブリーダ」抵抗器が内蔵されているわけではありません。このコンデンサに触れると、重度の感電事故につながる可能性があります。
一次側と二次側は、EMI を低減し、トランスを含むコンバータ回路内のさまざまな容量結合を補償するためにコンデンサで接続される場合があります。これは、場合によっては感電を引き起こす可能性があります。IEC 60950によると、IT 機器の場合、ラインまたはニュートラルから2 kΩ の抵抗器を介してアクセス可能な部分に流れる電流は250 μA未満でなければなりません。[ 54 ]
パソコンなどの家庭用製品に搭載されているスイッチング電源ユニット（PSU）は、多くの場合ユニバーサル入力に対応しており、世界中の主電源から電力を供給できますが、手動で電圧範囲を切り替える必要がある場合もあります。スイッチング電源は、幅広い周波数と電圧に対応できます。
携帯電話の充電器は生産量が多いため、常にコストに非常に敏感でした。最初の充電器はリニア電源でしたが、より高い効率が求められるようになると、コスト効率に優れたリンギングチョークコンバータ（RCC）SMPSトポロジーへと急速に移行しました。近年、アプリケーションにおける無負荷電力要件のさらなる低減が求められたことから、フライバックトポロジーがより広く使用されるようになりました。また、一次側センシングのフライバックコントローラは、オプトカプラなどの二次側センシング部品を省略することで、部品表（BOM）の削減にも貢献しています。
スイッチング電源は、DC-DC変換にも使用されます。公称24V DC始動電源を使用する大型車両では、 アクセサリー用の12V電源をDC/DCスイッチング電源から供給することができます。これは、バッテリーの12V側からタップする （セルを半分だけ使用する）場合と比べて、 12Vの負荷全体が24Vバッテリーのすべてのセルに均等に分散されるという利点があります 。通信ラックなどの産業環境では、大容量電源は低DC電圧（例えばバッテリーバックアップシステムから）で供給され、個々の機器には必要な電圧を供給するためのDC/DCスイッチングコンバータが搭載されます。
スイッチング電源の一般的な用途の一つは、照明用の超低電圧電源です。この用途では、しばしば「電子トランス」と呼ばれます。
スイッチモードという用語は、モトローラがスイッチングモード電源市場向け製品の商標であるSWITCHMODEの所有権を主張し、その商標権の行使を開始するまで広く使用されていました。 [ 39 ]スイッチングモード電源、スイッチング電源、スイッチングレギュレータは、このタイプの電源を指します。[ 39 ]
Rod Holt
... は、非常に軽量なコンピュータを実現できるスイッチング電源を開発しました。
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