リップル（電気）｜電源出力に残留する周期変動

2025.09.23

リップル

リップルとは、電源の直流出力や信号の基準電圧に重畳する周期性のある残留交流成分である。主な発生源はダイオード整流後の平滑不足と、スイッチング電源のスイッチング周波数およびその高調波である。振幅や周波数スペクトルは回路方式（ハーフ/フルブリッジ、フォワード、フライバック等）、負荷、平滑素子（コンデンサ・インダクタ）の選定と等価直列抵抗（ESR）・等価直列インダクタンス（ESL）、実装レイアウトに依存する。一般に過大なリップルはアナログ計測、無線、オーディオ、モータ制御、デジタル回路のタイミング余裕やジッタを劣化させるため、設計段階で定量評価し、所定の許容値内に抑制する。

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定義と基本概念

リップルは直流レベルに対する交流変動分を指し、波形の代表値としてピーク・トゥ・ピーク値（Vpp）、実効値（Vrms）、直流平均（Vdc）を用いる。リップル率（ripple factor）は r = Vrms / Vdc で定義され、用途により許容上限を規定する。整流系では基音が商用周波数f（半波）または2f（全波）となり、スイッチング電源ではスイッチング周波数fsとその高調波が卓越する。

測定指標と表記

  • 振幅：VppまたはVrmsで規定。感度の高い系ではμV～mVオーダ。
  • 周波数領域：基音と高調波、スプリアス、拡散スペクトラム（Spread Spectrum）適用の有無。
  • 規格適合：EMI帯域（150 kHz～30 MHz等）での伝導ノイズと区別しつつ評価する。

発生メカニズム（整流とスイッチング）

整流回路ではコンデンサの充放電により鋸歯状のリップルが生じ、負荷電流Iと充電間隔Δtに対し近似的に ΔV ≈ I·Δt / C で与えられる。スイッチング電源ではインダクタ電流リップルが ΔIL ≈ (Vin−Vout)·D / (L·fs) に比例し、これが出力コンデンサのESR/ESLを介して電圧リップルへ変換される。ダイオードの逆回復、トランジスタのスルーレート、レイアウト寄生成分が高周波成分を増幅する。

ESR/ESLと寄生成分

低ESRコンデンサやMLCCの直列並列化は有効だが、ESLや配線インダクタンスが残ると高周波ピークが立つ。帰還ループの相補償が不適切だとピーキングでリップルが増大する。

影響（機器・システムへの波及）

  • アナログ：基準の揺らぎがゲイン・オフセット誤差、SNR低下、IMD悪化を招く。
  • デジタル：電源ジッタ由来でPLL位相雑音やクロックのタイミングばらつきを誘発。
  • RF/通信：近接チャネル漏洩、EVM悪化、スプリアス増加。
  • モータ・産業機器：トルクリップル、ビート音、センサ誤検出。

低減手法（設計・部品・実装）

  • 平滑Cの容量増／低ESR化、複数容量値の並列（デカップリングの多段化）。
  • LC/πフィルタの挿入、コモン/ノーマルモード分離。
  • スイッチング周波数fsの最適化とスロープ制御、スプレッドスペクトラム。
  • ポストレギュレータ（LDO、DC-DC二段化）でローバンドを浄化。PSRR特性に留意。
  • レイアウト：大電流ループ最短化、GNDのスター接続、帰還配線の静穏領域通過。
  • ダイオードをショットキー化、FETのスナバ/ゲート抵抗でリンギング抑制。

設計例と近似計算

全波整流+平滑Cの出力リップルをVppで抑えたいとき、C ≈ I / (2f·Vpp) と見積もれる。スイッチング降圧では出力電圧リップル Vpp ≈ ΔIL·ESR + (ΔIL / (8·C·fs))。高周波支配ならESR項が支配的となる。仕様例：Vout=5 V、I=2 A、fs=300 kHz、Lを選んでΔIL=0.4 A、ESR=10 mΩ、C=100 μFとすると Vpp ≈ 0.4×0.01 + (0.4/(8×100e-6×300e3)) ≈ 4 mV + 1.7 mV ≈ 5.7 mV 程度。

マルチステージの利点

スイッチング段で中高周波を抑え、LDOで低周波を浄化する二段構成は実務的である。LDOのPSRRは周波数依存のため、交差帯域で残留が増える点に注意する。

測定と評価の勘所

  • オシロの帯域制限（20 MHz）や専用リップルプローブで高周波ピークの誤読を回避。
  • グラウンドループを極小化するスプリングチップ接続を用いる。
  • FFTで周波数成分を分解し、基音・高調波・スプリアスの寄与を判別。
  • 負荷過渡（load transient）印加でダイナミックリップルと制御ループの余裕を確認。

規格・適合の視点

装置内部のリップルは安全規格ではなく性能要件で語られることが多いが、結果として伝導/放射EMIを増やす。フィルタ設計とシャーシ接続、帰還安定化、周波数拡散はCISPR等の規格適合を助ける。医療・計測分野ではmV級リップル上限が設けられる場合がある。

用語の使い分けと関連量

  • リップル／ノイズ：前者は周期性が強く、後者は広帯域・ランダムを含む傾向。
  • ラインレギュレーション/ロードレギュレーション：入力・負荷変動に対するVoutの変化。
  • PSRR（Power Supply Rejection Ratio）：電源由来変動の伝達抑制度。
  • ジッタ/位相雑音：電源リップルが間接的に増加させる。

設計指針のまとめ（実務チェックリスト）

  1. 要求仕様をVppまたはVrmsで数値化し、帯域（周波数レンジ）を明確化。
  2. 想定負荷と周波数からC、L、ESR、fsを初期設計。ΔVとΔILを計算。
  3. レイアウトで大電流ループ最短化、帰還はクリーンGND参照。
  4. 測定は帯域/プローブに配慮し、FFTでスペクトル確認。
  5. 必要に応じてLC・π・LDOの多段化とスナバ最適化を行う。

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