LT3045×6並列による3A対応 超低ノイズUSB電源の開発とDC 6V ACアダプターの評価の背景
WiiM Pro PlusやRaspberry Piオーディオの音質向上を目的として各種USB電源の評価を行う中で、より低ノイズなオーディオ向けUSB電源の必要性を強く感じるようになりました。
現在、私が開発・販売しているUSBオーディオアイソレーター「UAI-1」のUSB電源出力部には、Analog Devices製LT3045を採用しており、測定限界に迫る超低ノイズ性能を実現しています。しかし、本製品はUSB 2.0規格に準拠し、最大出力電流を500mAに設定しています。一方で、WiiM Pro PlusやRaspberry Piオーディオ用途では2～3A程度の電流供給能力が求められるため、新たに3A出力を目標とした超低ノイズUSB電源の開発を開始しました。
本製品は、USBオーディオアイソレーター「UAI-1」のUSB電源部を独立させた構成とし、超低ノイズ・リニアレギュレータであるAnalog Devices製LT3045を6基並列動作させることで、最大3Aの出力電流を実現する予定です。
電源入力はACアダプターから供給され、コモンモードノイズフィルターおよびノーマルモードノイズフィルターによって不要なノイズを低減した後、LT3045による超低ノイズな5V USB出力電圧を生成します。
また、USB電源出力部には導電性高分子コンデンサとパナソニック製ECHUシリーズフィルムコンデンサを採用します。これにより、低域における力強さとスピード感の向上、高域における透明感や空気感の向上を狙っています。
入力端子にはDC 6V入力を採用し、ユーザーの皆様が好みに応じてさまざまなACアダプターや外部電源を選択できる仕様とする予定です。
開発にあたり、市販されているDC 6V出力ACアダプターの電流負荷特性およびノイズレベルの評価を実施しました。また、LT3045単体による500mA出力仕様ではありますが、これらのACアダプターを使用した際のUSBオーディオアイソレーター「UAI-1」のUSB電源出力ノイズについても比較評価を行いました。
超低ノイズUSB電源の外観イメージ (AIで作成)
評価を行うACアダプター
トランスタイプ ACアダプター
PATOS DK060-R DC 6V 600mA
スイッチングタイプ ACアダプター
秋月電子通商 LTE10UW-SU DC 6V 1.8A
アイコー電子 AKA-06020 5.9V 2A
秋月電子通商 GF18-US0628T DC 6V 2.8A
秋月電子通商 AD-A60P280 DC 6V 2.8A
COSMONE GPE024L-060300-6 DC 6V 3.0A
SWITCHSCIENCE SIA324-06 DC 6V 3.8A
各ACアダプターの電流負荷特性
各ACアダプターのDC出力について、ケルビン測定（4端子測定）によりDCプラグの電圧を測定しました。負荷電流に対する出力電圧の変化を以下に示します。
ACアダプターのノイズ特性評価
超低ノイズUSB電源の開発にあたり、市販のDC 6V出力ACアダプターについてノイズレベルの評価を実施しました。
また、これらのACアダプターを超低ノイズUSB電源に使用した場合のノイズ特性を検証するため、LT3045を用いた500mA出力仕様のUSBオーディオアイソレーター「UAI-1」を評価機として使用しました。UAI-1は最終製品とは出力電流が異なるものの、LT3045によるノイズ低減効果を確認するうえで有効であるため、各ACアダプター使用時におけるUSB電源出力ノイズの比較評価を行いました。
PATOS DK060-R DC 6V 600mA
安定化回路を内蔵したトランスタイプのACアダプターです。
出力電圧 DC 6V、出力電流 600mAの仕様です。
保護回路は温度ヒューズ(115℃ 1A 1次側)を内蔵しています。
スイッチングタイプに比べると大型で重量があり効率も低いため発熱がありますが、高周波ノイズが少ないためオーディオ用途に向いています。
本品は、USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の標準付属ACアダプターです。
DK060-R単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.17V、負荷電流：500mA)
トランス式電源を採用しているため、スイッチング電源特有の高周波スイッチングノイズは観測されませんでした。スペクトラム上の主なノイズ成分は、商用電源（50Hz）の全波整流に起因する100Hzのリップル成分とその高調波であり、高周波帯域のノイズレベルは低く抑えられています。
DK060-R＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」に標準付属しているACアダプター「DK060-R」を電源として使用した場合の、USB電源出力ノイズの測定結果を示します。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、全域にわたりに非常に良好なノイズ特性を示しています。
秋月電子通商 LTE10UW-SU DC 6V 1.8A
秋月電子通商が販売しているスイッチングタイプのACアダプターです。
出力電圧 DC 6V、出力電流 1.8Aの仕様です。
メーカーは、Li Tone Electronics Co., Ltd. (L.T.E)です。
日本メーカー製電解コンデンサ(日本ケミコン、ニチコン)を使用しているようです。
LTE10UW-SU 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.03V、負荷電流：1A）
10数kHzと90kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
LTE10UW-SU 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.12V、負荷電流：500mA）
70kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
LTE10UW-SU＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の電源にLTE10UW-SUを使用した場合のUSB電源出力の測定結果です。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、65kHz付近にごく小さなノイズ成分が見られるものの、全体として非常に良好なノイズ特性を示しています。
アイコー電子 AKA-06020 5.9V 2A
アイコー電子が販売しているスイッチングタイプのACアダプターです。
出力電圧 DC 5.9V、出力電流 2Aの仕様です。
AKA-06020 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：5.78V、負荷電流：2A）
60~70kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
AKA-06020 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.06V、負荷電流：500mA）
40kHzと80kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
AKA-06020＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の電源にAKA-06020を使用した場合のUSB電源出力の測定結果です。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、40kHzと80kHz付近に小さなノイズ成分が見られるものの、全体として非常に良好なノイズ特性を示しています。
秋月電子通商 GF18-US0628T DC 6V 2.8A
秋月電子通商が販売しているスイッチングタイプのACアダプターです。
メーカーは、Go Forward Enterprise Corp.です。
出力電圧 DC 6V、出力電流 2.8Aの仕様です。
GF18-US0628T 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：5.78V、負荷電流：2A）
70kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
GF18-US0628T 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.00V、負荷電流：500mA）
40kHzと80kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
GF18-US0628T＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の電源にGF18-US0628Tを使用した場合のUSB電源出力の測定結果です。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、40kHzと80kHz付近にごく小さなノイズ成分が見られるものの、全体として非常に良好なノイズ特性を示しています。
秋月電子通商 AD-A60P280 DC 6V 2.8A
秋月電子通商が販売しているスイッチングタイプのACアダプターです。
メーカーは、XIAMEN UME ELECTRONICS CO.，LTD.です。
出力電圧 DC 6V、出力電流 2.8Aの仕様です。
日本メーカー製アルミ電解コンデンサを使用しているようです。
AD-A60P280 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：5.85V、負荷電流：2A）
4kHzと60kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
AD-A60P280 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.12V、負荷電流：500mA）
3kHzと35kHzおよび70kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
AD-A60P280＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の電源にAD-A60P280を使用した場合のUSB電源出力の測定結果です。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、35kHzと70kHz付近に小さなノイズ成分が見られるものの、全体として非常に良好なノイズ特性を示しています。
COSMONE GPE024L-060300-6 DC 6V 3.0A
コズムワンが販売しているスイッチングタイプのACアダプターです。
出力電圧 DC 6V、出力電流 3.0Aの仕様です。
GPE024L-060300-6 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：5.71V、負荷電流：2A）
60kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
GPE024L-060300-6 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：5.99V、負荷電流：500mA）
25kHzと50kHzおよび75kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
GPE024L-060300-6＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の電源にGPE024L-060300-6を使用した場合のUSB電源出力の測定結果です。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、25kHzと50kHzおよび75kHz付近に小さなノイズ成分が見られるものの、全体として非常に良好なノイズ特性を示しています。
SWITCHSCIENCE SIA324-06 DC 6V 3.8A
スイッチサイエンスが販売しているスイッチングタイプのACアダプターです。
出力電圧 DC 6V、出力電流 3.8Aの仕様です。
SIA324-06 単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.00V、負荷電流：2A）
60kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
SIA324-06単体のDCプラグ出力ノイズ特性（DCプラグ電圧：6.20V、負荷電流：500mA）
60kHz周辺にスイッチング動作に起因すると考えられるノイズのピークが見られます。
SIA324-06＋UAI-1使用時のUSB出力ノイズ特性（USB出力電圧：5.02V、負荷電流：500mA）
USBオーディオアイソレーター「UAI-1」の電源にSIA324-06を使用した場合のUSB電源出力の測定結果です。
可聴帯域内のノイズは測定限界レベルまで抑えられており、60kHz付近にごく小さなノイズ成分が見られるものの、全体として非常に良好なノイズ特性を示しています。
市販のDC 6V出力ACアダプターとLT3045を搭載したUSB電源の構成について
開発中の超低ノイズUSB電源は、市販のDC 6V ACアダプター → ノイズフィルター → LT3045×6並列 → USB 5V出力という構成を想定しています。各種評価の結果、本構成により3A級の大電流出力に対応しながら、極めて低い出力ノイズを実現できる見通しが得られました。
一方で、実用化にあたっては、市販DC 6V ACアダプターの負荷特性を考慮したLT3045のドロップアウト電圧マージンの確保や、最大3A出力時におけるリニアレギュレータの電力損失に起因する発熱への対策など、電源の安定性および信頼性を両立するための放熱設計が重要な課題となります。
