Raspberry Piで始めるネットワークオーディオプレーヤー開発と電源評価
Wiim Pro Plusを使用したことで、ネットワークオーディオプレーヤーの開発意欲が高まりました。
ソフトウェアとハードウェアの汎用性や成熟度を考慮し、ネットワーク部には Raspberry Pi Compute Module を採用する構成を検討しています。
DAC部には AKM AK4191 と AK4499EX を組み合わせ、USB入力部には NXP MIMXRT1021、SPDIF入力部には AKM AK4118AEQ を使用する予定です。
さらに、USB、LAN、SPDIFといった外部とのインターフェースにはガルバニックアイソレーションを挿入し、ノイズ対策を強化する構成を予定しています。
ネットワークオーディオプレーヤーのソフトウェアおよびハードウェア開発にあたり、第一段階では最もシンプルな構成として、Raspberry Pi と DAC HAT を用いた実験、評価、開発を行います。
ハードウェア：
・Raspberry Pi 4 Model B / 8GB
・Raspberry Pi 5 / 16GB
・InnoMaker HiFi DAC Pro (ESS ES9038Q2M搭載)
・PiFi DIGI DAC + (TI PCM5122搭載)
・InnoMaker Raspberry Pi 4用アルミニウム合金ケース
・InnoMaker Raspberry Pi 5用アルミニウム合金ケース
Linux ディストリビューション：
・Volumio
・moOde audio player
・Respberry Pi OS Lite
電源：
Raspberry Pi 4 Model B のデータシートでは推奨電源仕様が 5V/3A、Raspberry Pi 5 では 5V/5A となっています。一方、Raspberry Pi 公式 AC アダプターは、Raspberry Pi 4 用が 5.1V/3A、Raspberry Pi 5 用が 5.1V/5A です。
市販の 5.0V 出力電源を使用した場合、高負荷時や USB 電源ケーブルが長く電圧降下が大きい場合に、
「Low voltage warning. Please check your power supply.」
という低電圧警告メッセージが表示されることがあります。
Raspberry Pi 4 Bの電源管理はMaxLinear MxL7704が行っており、電源の低電圧検出は立下り4.57V(typ)、立ち上がり4.63V(typ)となっています。
Raspberry Pi 5 の電源管理はRenesas (Dialog) DA9091が行っていますが仕様は公開されていないため電源の低電圧検出の電圧値はわかりません。今後の実験と評価の中で低電圧検出電圧の評価を行っていく予定です。
Raspberry Pi を用いたネットワークオーディオプレーヤーの開発にあたり、Raspberry Pi 4/5 と DAC HAT、さらに Raspberry Pi 向け AC アダプターによるシンプルな構成で実験、評価、開発を進めていきます。
AC アダプターが音質や動作安定性に与える影響を把握するため、別ブログのUSB 電源アダプターの評価と同様に、各社から販売されているRaspberry Pi 向け AC アダプター製品のノイズ特性および負荷変動特性の評価を実施しました。
InnoMaker HiFi DAC Pro（ESS ES9038Q2M 搭載）は、外部電源入力端子を備えています。電源のクオリティによるDACの特性評価を後日行う予定です。
Raspberry Pi 4 Type-B 向け USB-C 電源アダプター (5.1V / 3.0A)
Raspbebby Pi 公式 USB-C Power Supply 15W
Raspberry Pi 4 Model B および Raspberry Pi 400 向けに設計された公式電源アダプターです。
最大出力電力： 15.3W
出力電圧/電流： 5.1V/3.0A
コネクタ： USB Type-C
ノイズ特性
抵抗負荷電流 2A 時における USB-C 電源出力のノイズ特性です。
ノイズフロアは低めですが、全域に高調波が分散し7kHzあたりに山があります。スイッチング周波数は60kHz辺りと思われます。
負荷変動特性
負荷電流の変化に対して、USB-C 出力電圧はリニアに変化します。負荷電流が増加すると、出力電圧はリニアに減少する傾向があります。
3.5Aを超えると過電流保護が働き出力が停止します。
Miuzei Raspberry Pi 4 AC Adapter
Raspberry Pi 4 ケースに付属していた電源アダプターです。
ケーブルにON/OFFスイッチが付いています。
Amazon、楽天市場、Yahoo!ショッピングなど複数の販売事業者によって取り扱われています。
出力電圧/電流： 5.1V/3.0A
コネクタ： USB Type-C
ノイズ特性
抵抗負荷電流 2A 時における USB-C 電源出力のノイズ特性です。
ノイズフロアは高めですが、高調波は少な目です。
負荷変動特性
負荷電流の変化に対して、USB-C 出力電圧はジグザグ状に変化します。負荷電流が増加すると、出力電圧はジグザグ状に減少する傾向があり、変動幅は比較的大きい印象です。
3.4Aを超えると過電流保護が働き出力が停止します。
Raspberry Pi 5 向け USB-C 電源アダプター (5.1V / 5.0A)
Raspbebby Pi 公式 USB-C Power Supply 27W
Raspberry Pi 5 向けに設計された公式電源アダプターです。
スイッチサイエンス、KSY、秋月電子通商などの正規販売代理店やオンラインストアで購入可能です。
最大出力電力： 27W
出力電圧/電流： 5.1V/5.0A、 9V/3A、12V/2.25A、15V/1.8A (USB PD)
コネクタ： USB Type-C
ノイズ特性
抵抗負荷電流 2A 時における USB-C 電源出力のノイズ特性です。
ノイズフロアはやや低めで高調波はやや少なめです。7kHzあたりに山があります。スイッチング周波数は60kHz辺りと思われます。
負荷変動特性
負荷電流の変化に対して、USB-C 出力電圧はほとんど変化しません。負荷電流が増加すると、出力電圧はわずかですがリニアに増加する傾向があります。
5.7Aを超えると過電流保護が働き出力が停止します。
RasTech XS-GaN-27W AC adapeter
Raspberry Pi 5の消費電力に対応するよう設計されているACアダプターで、GaN（窒化ガリウム）技術を採用し、小型・高効率を実現しています。USB PD（Power Delivery）に対応しています。
Amazon、楽天市場、Yahoo!ショッピングなど複数の販売事業者によって取り扱われています。
最大出力電力： 最大27W
出力電圧/電流： 5.1V/5A, 9V/3A, 12V/2.25A, 15V/1.8A (USB PD)
コネクタ： USB Type-C
ノイズ特性
抵抗負荷電流 2A 時における USB-C 電源出力のノイズ特性です。
ノイズフロアはやや低めで高調波はやや少なめです。
負荷変動特性
負荷電流の変化に対して、USB-C 出力電圧はほとんど変化しません。負荷電流が増加すると、出力電圧がわずかにジグザグ状に上昇する傾向があります。
6.0Aを超えると過電流保護が働き出力が停止します。
RasTech XSL-GaN-27W USB-C AC adapeter
Raspberry Pi 5の消費電力に対応するよう設計されているACアダプターで、GaN（窒化ガリウム）技術を採用し、小型・高効率を実現しています。USB PD（Power Delivery）に対応しています。
ケーブルの中ほどにON/OFFスイッチが付いています。
Amazon、楽天市場、Yahoo!ショッピングなど複数の販売事業者によって取り扱われています。
最大出力電力： 最大27W
出力電圧/電流： 5.1V/5A, 9V/3A, 12V/2.25A, 15V/1.8A (USB PD)
コネクタ： USB Type-C
ポチップ
ノイズ特性
抵抗負荷電流 2A 時における USB-C 電源出力のノイズ特性です。
ノイズフロアは低めで高調波はやや多めです。スイッチング周波数は70kHz辺りと思われます。
負荷変動特性
負荷電流の変化に対して、USB-C 出力電圧はほとんど変化しません。負荷電流が増加すると、出力電圧はわずかですがほぼリニアに増加する傾向があります。
5.7Aを超えると過電流保護が働き出力が停止します。
負荷変動特性まとめ
上記ACアダプターの負荷変動特性をまとめてみました。
Raspberry Pi 4向けの 5.1V/3A 電源は右肩下がりの特性を示し、Raspberry Pi 5向けの 5.1V/5A 電源はわずかに右肩上がりの特性となっています。
今回評価した Raspberry Pi 5向け 5.1V/5A 電源であれば、高負荷時でも安定した動作が期待でき、「Low voltage warning. Please check your power supply.」という低電圧警告メッセージが表示されることはないと考えられます。
そのため、Raspberry Pi 4にも Raspberry Pi 5向けの 5.1V/5A 電源を使用するのが望ましいと思われます。
