電源効率曲線とロードレギュレーション：80 PLUS認証の中身

効率は一点では語れない ── 負荷率で変わる「曲線」

電源（PSU）の効率を「90%の電源」と一言で言いがちですが、効率は負荷率（定格出力に対する実際の出力電力の割合）によって大きく変わります。実機の効率曲線をプロットすると、横軸が負荷率、縦軸が効率で、中負荷あたりにピークを持つ緩やかな山型 になります。だから 80 PLUS のような認証は、効率を一点ではなく 複数の負荷率（10/20/50/100%）で測る わけです。本稿はこの曲線の形がなぜ生まれるか、出力電圧の安定度（レギュレーション）とは何が違うか、そして 80 PLUS 各グレードが何を測っているかを原理から追います。

効率は単純に 効率 η = Pout / Pin = Pout / (Pout + Ploss) です。ここで損失 Ploss が負荷によってどう変わるかが曲線の形を決めます。損失を「負荷に依らない固定損」と「負荷電流とともに増える可変損」に分けるのが理解の鍵です。

損失の二分法:
  固定損 P_fixed … 出力電力にほぼ無関係（軽負荷でも消える）
    ・スイッチング損（MOSFETのオン/オフ遷移、ゲート駆動）
    ・コア損（鉄損。磁束振幅で決まり負荷に鈍感）
    ・制御IC・補助電源・ファン・PFC段の定常消費

  可変損 P_var … 負荷電流 Iout とともに増える
    ・導通損（巻線・FET・配線の I二乗R）→ Iout の2乗で増加
    ・ダイオード順方向損 ≈ Vf × Iout → Iout に比例

  効率 η(Pout) = Pout / (Pout + P_fixed + P_var(Pout))

効率曲線の形 ── なぜ中負荷でピークか

この二分法から山型が自然に導けます。各領域を分けて考えます。

軽負荷側は直感に反しやすい部分です。負荷が軽いほど効率が良さそうに思えますが逆 で、固定損（スイッチング損や制御回路の消費）は出力が小さくてもほぼ一定に消え続けるため、P_fixed / Pout の比が大きくなって効率を押し下げます。極端な無負荷では出力ゼロなのに損失は残り、効率は定義上ゼロに近づきます。

重負荷側は導通損が主役です。FET や巻線の抵抗成分による損失は I二乗R で電流の2乗に比例するので、負荷を倍にすると導通損は4倍に増えます。出力（=ほぼ電流に比例）の増え方を損失の増え方が追い越す点から効率が下降に転じます。両者が釣り合う中負荷でピークが立つわけです。MOSFET 側のスイッチング損と導通損のトレードオフの原理は /power/mosfet-switching-physics/ に詳しくあります。

ピーク負荷率のざっくりした見積り:
  η が最大になるのは、おおむね
    可変損 P_var ≈ 固定損 P_fixed  となる負荷付近

  P_var ∝ Iout二乗 なので、設計次第で
  ピークは定格の 20〜50% 付近に来ることが多い
  → 重負荷ピークではなく中負荷ピークになるのはこのため

ライン/ロードレギュレーション ── 効率とは別の品質軸

効率は「入力電力のうちどれだけ出力に届くか」ですが、レギュレーションは「条件が変わっても出力電圧をどれだけ一定に保てるか」 という別の指標です。混同されがちですが直交する軸で、効率が良くても電圧が暴れる電源は使い物になりません。2つに分けます。

両者を決めるのはフィードバックループの 直流（低周波）ゲイン です。出力電圧を基準と比べて誤差を打ち消すよう動くのがフィードバックですが、有限ゲインの誤差増幅器は誤差を完全にはゼロにできません。定常偏差は誤差をゲインで割った量として残ります。

レギュレーションとループゲインの関係:
  定常の出力誤差 ΔVout ≈ （外乱による開ループの電圧変動）/ (1 + A_dc)
    A_dc … 誤差増幅器＋変調器の直流ゲイン

  A_dc が大きいほど ΔVout は小さい → レギュレーション良好
  積分器（I項）を入れると A_dc が直流で無限大に近づき
  定常偏差を原理上ゼロにできる（PI/III型補償）

ロードレギュレーション悪化の物理:
  出力経路に残る等価直列抵抗 Rout（FETオン抵抗・巻線・配線）
  → 負荷電流が増えると Iout × Rout だけ出力が垂れる
  ループはこれを検出して補正するが、補正の速さは帯域、
  補正の完全さは直流ゲインで決まる

数値感としては、PC/サーバー用 PSU の ATX 規格では主要レール（+12V など）のロード/ラインレギュレーションは 公称の ±5% 以内、高品質品では ±1〜3% に収まります。出力に重い負荷ステップが入ったときの一過性のディップ（過渡応答）はレギュレーションとは別物で、出力コンデンサの ESR/ESL とループ帯域で決まります。ここは /power/output-capacitor-esr-esl/ の領域です。

80 PLUS の測定条件 ── 10/20/50/100%という飛び石

ここまでの「効率は負荷率で変わる」がそのまま 80 PLUS の設計思想です。80 PLUS は 指定された負荷率での効率の下限 を保証する第三者認証で、効率曲線を代表点でサンプリングします。測定の要点は3つあります。

80 PLUS の測定の枠組み:
  1. 入力電圧条件で表を分ける
       ・115V（北米向け、internal）
       ・230V（欧州/一般、internal）
       ・230V EU（より厳しい別表）
  2. 負荷率は 20% / 50% / 100% を基本に測定
       Titanium のみ 10% 負荷の規定が追加される
  3. さらに上位グレードは力率（PF）の下限も併記
       例: 50%負荷で PF 0.9 以上 など

各グレードの効率下限（230V internal の代表値）を整理すると、上位ほど全負荷点の効率が底上げされ、特に軽負荷側の要求が厳しくなる 構造が見えます。

表に2つの特徴が読み取れます。第一に、どのグレードも50%負荷の要求が最も高い。これは効率曲線が中負荷でピークを持つ山型だからで、認証側もその最良点と両端を測っています。第二に、Titanium だけが10%負荷の規定を持つ。これは前述のとおり、実運用で軽負荷域に張り付くサーバー電源を狙った要求で、軽負荷効率こそが上位グレードの本質的な差になっていることを示します。

80 PLUS が間接的に要求するもの ── 効率と力率の合わせ技

80 PLUS は表向き「効率」の認証ですが、上位グレードは 高力率 も併せて要求します。効率（入力電力をどれだけ出力に変換するか）と力率（見かけの皮相電力 VA に対する有効電力 W の割合）は別物ですが、どちらも「同じ仕事をより少ない入力で」という方向で一致します。

効率と力率は別軸だが両方を要求する理由:
  効率 η = Pout / Pin          … 電力の損失（熱になる分）
  力率 PF = P(有効W) / S(皮相VA) … 電流波形と位相の質

  高効率 → 同じ出力を少ない入力電力で（発熱が減る）
  高力率 → 同じ有効電力を少ない電流実効値で
           （配線・ヒューズ・上流配電の I二乗R 損が減る）
  → 80 PLUS上位の高力率要件はアクティブPFCの内蔵を前提にする

つまり 80 PLUS Gold 以上の電源が高力率なのは偶然ではなく、効率規定と力率規定の両方を満たすために アクティブPFC段＋高効率DC-DC段 を作り込んだ結果です。力率がなぜPFCで作られるか、その昇圧PFCの制御原理は /power/pfc-principles/ を、ラック・データセンター単位で効率と力率が受電容量にどう効くかは /power/datacenter-power-architecture/ を参照してください。

まとめ

• 効率は負荷率の関数で、中負荷（20〜50%）にピークを持つ山型。軽負荷では固定損（スイッチング損・制御回路）が相対的に効いて効率が落ち、重負荷では導通損が I二乗R で増えて落ちる。
• 軽負荷効率が実務上重要。サーバー電源は冗長や余裕のため定格の20〜40%で運用されがちで、年間電力量を軽〜中負荷効率が支配する。だからTitaniumは10%負荷を規定する。
• ライン/ロードレギュレーションは出力電圧の安定度で効率とは別軸。入力変動（ライン）と負荷変動（ロード）に対する出力電圧の変化率は、フィードバックの直流ゲインで決まる。過渡応答（帯域・出力容量）とは区別する。
• 80 PLUSは115V/230Vで20/50/100%（Titaniumのみ10%も）の効率を測る。どのグレードも50%負荷の要求が最も高く、上位グレードの差は軽負荷効率に強く出る。上位は高力率も要求しアクティブPFCを前提にする。
• 関連原理は /power/pfc-principles/、/power/mosfet-switching-physics/、/power/output-capacitor-esr-esl/、/power/datacenter-power-architecture/ を参照。