✅ 初リフローに挑戦！極小USB電源モジュールがついに動いた物語

DKNモジュール化プロジェクト 第１弾
USB Type-C Safety Power Module  DKN-X06B開発記②

この記事でわかること
✅ 小型USB電源モジュールをリフロー実装する具体的な手順
✅ 初めてのリフローで起きやすいトラブルとその対処方法
✅ 電源フロントエンドモジュールの安全確認の進め方（導通確認 → 無負荷試験 → 負荷試験）
✅ 電圧ドロップ・温度上昇・過電流保護の実測評価方法
✅ 過電圧入力およびショート時の保護回路の動作確認方法
✅ 試験結果から次リビジョンの設計改善点を導き出す考え方
✅ 作って終わりではなく、「試験 → 改良 → 次の設計」へつなげる実践的な開発プロセス

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🟦 序章：前回までのあらすじ

前回の記事では、
「安心して使える5Vだけの電源」を作ることを目的に、
USB Type-C Safety Power Module DKN-X06Bの設計から基板発注までの物語を書いた。

USB Type-Cは便利な規格だが、
実験や電子工作の現場では、

✴️ 想定外の電圧が来る可能性
✴️ 過電流によるトラブル
✴️ 逆流や誤接続

といった「ちょっとした事故」が起きることもある。

そこで今回のモジュールでは、

✴️ 5V固定
✴️ 過電流保護
✴️ 逆流防止
✴️ 異常時遮断

という、安全側に倒したシンプルな電源フロントエンドを設計した。

KiCadで回路図と基板設計を行い、
22mm × 26mmという極小サイズの基板にまとめ、JLCPCBへ発注。

そして――
青い基板が、ついに手元に届いた。

ここからが、今回の物語だ。

次章では、
人生初となるリフロー実装に挑戦したときの話を書いていこうと思う。

🟦 第8章：いきなり初リフローはちょっと…

基板と部品が届いたとき、正直なところ、少しだけ手が止まった。

「いきなり本番リフロー、やるか？」

今回の基板は小さい。
しかも部品はほぼすべてSMD。

一発勝負は、少し怖かった。

■ 本番前のリフロー練習

そこで、まずは練習をすることにした。
以前TEMUで購入し、手ハンダで表面実装して苦労したUSBライト基板を、この日のためにもう1セット残してあった。
このライト基板上にSMD部品を配置してヒートプレートで加熱して“簡易リフロー練習”として使うことにした。

■ 今回用意したヒートプレート

今回初リフローを行うために、いつものようにTEMUでヒートプレートを用意した。

このヒートプレートはプレートサイズが6.4cm x 6.4cmと小さいが、今回の用途には十分だ。
実際には2,510円だが、TEMU内で貯めたクレジットを使い、無料で手に入れたものだ。
ヒートプレートには電源が付属していないので、ANKER製の100W充電器をAmazonで用意。通常5,290円するものが、偶然バーゲンで2,990円で購入できた。

「なんとリフロー環境が2,990円で揃ってしまったぞ🤣」

■ さっそく練習開始！

さっそくUSBライトキットを開封し、息で飛んでしまいそうな程の小さな部品を取り出す。
この基板にはステンシルは無いので、
ハンダペーストを少量ずつ基板のパッドへ乗せていく。

「ペーストの量はこんなもんかな？」

ツルツル滑ってペーストを乗せにくいが、何とか塗ることに成功。

■ 部品を載せる

ピンセットで小さな抵抗3つとLED3つをペーストの上に乗せる。
リフロー時に表面張力で正しい位置に張り付くため、少しくらい斜めになっても大丈夫だ。

■ リフロー開始！

ヒートプレートの電源を入れ、温度を160度に設定する。
プレートの温度が160度になったことを確認して、先程部品を乗せた基板を、ピンセットでそっとプレートの中央に置く。
しばらく置いておくと、熱でハンダペーストが溶けていく。
そして、表面張力で部品が正しい位置に自動的に揃っていく。

「なんとも不思議な光景だ。」

初リフローの動画は下記でご覧いただけます。

■ 手ハンダ版との比較

以前、手ハンダで作ったものと比べると、部品の位置合わせが自然に整い、仕上がりの印象がまったく違う。
不自然に斜めったりもしていない。

「これは……使えるんじゃないか？」

🟦 第9章：いよいよ本番〜DKN-X06Bリフロー

USBライトでリフローの感覚をつかんだところで、いよいよ本番、
DKN-X06B基板の実装に取り掛かる。

今回の基板にはステンシルを用意しているため、先ほどのUSBライトとは違い、ハンダペーストは一気に塗布できる。

スクレーパーでペーストを薄く均一に伸ばし、慎重にステンシルを外す。

「おお、これは楽で気持ちいい。」

この瞬間、
手ハンダとはまったく違う世界に入った感覚があった。

■ 部品実装

次に、ピンセットを使って部品を一つずつ配置していく。

今回の基板で最も緊張したのは、
やはりロードスイッチIC(TPS25200)と理想ダイオードIC(LM66200)だ。

ピンピッチが細かいため、
位置合わせを慎重に行い、軽く押さえて固定する。

■ リフロー本番

ヒートプレートを加熱し、
温度が安定したところで基板を中央に置く。

数十秒後、
ペーストが一気に光沢を帯び、溶け始める。

そして――

部品が「スッ」と正しい位置に吸い寄せられる。

「これがリフローか…」

過去に動画で見たことはあったが、実際にやってみると、これは何度見ても、電子工作の中で最も感動する瞬間の一つだと思う。

■ ちょっとしたトラブル

ただし、すべてが完璧だったわけではない。

抵抗R5が、リフロー途中でわずかに位置ズレしてしまった。

ズレたR5は、TPS25200の足の方に吸い寄せられ、そのまま吸い付きそうになる。

「あっ！まずい！！」

すぐさまピンセットでR5を取り外し、事なきを得た。
このR5は、後から手ハンダすることにした。

また、USB Type-Cコネクタは
強度確保のため当初から手ハンダで取り付ける予定だ。

リフローの動画は以下でご覧いただけます。

■ リフロー完了

こうして、
DKN-X06B Rev1.0の実装が完了した。

初めての本格的なリフローだったが、
結果としてはほぼ一発成功。

一旦取り除いたR5とUSBコネクターを手ハンダして、DKN-X06Bの部品実装は完了。

「ついに、自分で設計した基板が動く準備が整った。」

次章では、
この基板を使って行った 各種動作試験と測定結果 をまとめていこうと思う。

🟦 第10章：電源モジュール、初めての通電

部品実装が完了した基板を前にして、しばらく手が止まった。

「本当に動くだろうか？」

自分で設計した基板に初めて電源を入れる瞬間は、何度経験しても少し緊張する。

もし回路ミスがあれば、
一瞬でICが破損する可能性もある。

なので、いきなり通電ではなく、まずテスターで導通の確認から行うこととした。

テスターを導通モードに合わせる。

チェック項目は以下の通り。

①VOUT＋とVOUT− → 鳴らないこと
②USB VBUS（5V）とGND → 鳴らないこと
③VOUT＋とUSB VBUS → 保護回路により直結しないので鳴らないこと

結果は、
✅ 全て導通なし

「これで通電しても大丈夫だ。」

■ まずは負荷なしで測定

最初の通電は、まず電流制限付きの安定化電源を使う。

今回の設定は

✴️ 出力電圧：5V
✴️ 電流制限：0.2A
✴️ 負荷：接続なし

安全側に大きく余裕を取った設定からスタートした。

基板に電源を接続し、
ゆっくりと出力をONにする。

負荷は接続していないので、電源の電圧がほぼ落ちずに出てくれば成功だ。

テスターのプローブをVOUT+とVOUT-に当てて、出力電圧を測る。

✅ 5.019V
✅ 発熱なし。
✅ 電流異常なし。

「……よし、第一関門クリア。理想ダイオードのおかげでショットキーバリアダイオードのような電圧降下がない。」

ここから、
このモジュールが本当に設計通り動くのか、段階的に負荷を増やしながら測定試験を行っていくことにした。

■ 負荷試験ための配線

今回の試験には、AliExpressで購入したXY-FZ35（1,539円）という電子負荷を使う。
XY-FZ35自身の電源は普通にUSB充電器から取り、負荷接続側に、ピンヘッダーを取り付けたDKN-X06Bをブレッドボードを間に挟んで接続する。

電流値を上げ、負荷を上げていくと電圧が下がるのだが、この接続方法だとブレッドボード、ケーブルの抵抗値が邪魔をして、基板自身の性能が不正確になることが分かり、最終的にDKN-X06BをXY-FZ35に直結して測定することにした。

■ いざ負荷測定開始

電源を安定化電源から、リフローで使ったANKERの100W充電器に変更し、まずは低電流からスタート。

電子負荷を 0.1A → 0.2A → 0.5A → 1A → 1.5A → 1.8A と段階的に増やしながら、各段階で1分間継続して動かし、動作停止後に基板が室温に戻ってから電子負荷を次の値にするという条件で、

✴️ 入力電圧（VIN）
✴️ 出力電圧（VOUT）
✴️ IC温度

を測定していった。

その結果が下のグラフである。

電流が増えるにつれて電圧ドロップが増えていくが、これはロードスイッチIC(TPS25200)および配線抵抗によるもので、
設計通りの挙動となっている。

例えば
✅ 1A時：約0.16Vドロップ
✅ 1.5A時：約0.25Vドロップ
✅ 1.8A時：約0.32Vドロップ

となり、
最大負荷付近でも安定した出力を維持していることが確認できた。

■ 温度上昇の確認

次に、同条件でICの温度を測定した。

1.8A連続動作時でも
✅ TPS25200：約64℃
✅ LM66200：約53℃

で安定し、
熱暴走や異常発熱は見られなかった。

■ 過電流保護の動作確認

さらに電流を増やし、
約1.92A付近まで負荷を上げたところ、
✅ 出力電圧が徐々に低下
✅ 赤LED点滅
✅ 出力遮断

という、
設計通りの過電流保護動作が確認できた。

これは、このモジュールが単なる電源分配基板ではなく、
安全を守る電源フロントエンドとして機能していることを示している。

約1.92AでTPS25200の温度が急上昇する理由は、電流を遮断するために内部MOSFETが電流制限動作に入り、電圧降下が増えることで電力が熱として消費されるという、想定通りの動作である。

■ 電源遮断時の電圧グラフ

以下が、電流を段階的に増やしていった場合のUSB電源の入力電圧（VIN）と、DKN-X06B（VOUT）の出力電圧を同時にプロットしたグラフである。

■ 電圧ドロップが気になる？

図3のグラフを見ると、
「安全に5Vを出力すると言いながら、5V出ていないじゃないか！」
と思う読者もいるかもしれない。

自分も最初にこのグラフを見たとき、「あれ？5V出てないけど、失敗作かな？」
と一瞬思ってしまった。

でも「このモジュールは常に5V出力を保証するレギュレーターではない」。

USBケーブル、基板内部の配線抵抗、部品の抵抗などがあるため、オームの法則に従って、電流値が増えれば電圧が下がるのはむしろ自然なことだ。

■ じゃあDKN-X06Bは、わざわざ電圧を食って何をしている？

DKN-X06Bは簡単に言ってしまえば、「外の世界と基板の世界をつなぐ門番」と言うことになる。
基板から見れば外の世界は未知の世界だ。
変な充電器が接続されて、想定外の大電流が入力されるかもしれない。
静電気で大電圧がかかるかもしれない。
人が使う以上、誤接続もあるだろう。

「外からの想定外の入力に対して中の機器を守るための門番」

図3のVINとVOUTの電圧差は門番が見張るために支払うコストなのだ。

■ 過電圧試験とショート試験

本モジュールでは、通常の負荷試験に加えて、安全性を確認するために以下の試験も実施した。

①過電圧試験
安定化電源を用いて、入力電圧を5Vから段階的に上昇させ、VINおよびVOUTの挙動を測定した。

その結果、

✅ 約5.37V付近から、ロードスイッチIC(TPS25200)の制御および回路抵抗の影響によりVOUTの上昇が実質的に抑制され始める
✅ さらに入力電圧が上昇し、約6.8V付近になるとTVSダイオードが導通し始め、過電圧を吸収する
✅ 下流側（VOUT）は約5.38V付近で安定し、それ以上の電圧は出力されない

という動作が確認できた。

これは、想定外の電圧が入力された場合でも、TVSダイオードとロードスイッチIC(TPS25200)による保護機構が機能し、下流回路に過電圧が到達しない設計になっていることを示している。

② ショート試験
VOUTとGNDをスイッチを用いて短絡させるショート試験を実施した。

✅ ショート時、出力電圧はほぼ0Vに低下
✅ 電源側は電流制限状態（CCモード）へ移行し、同時にTPS25200の内部電流制限も働くことで、安全に出力が遮断された
✅ ショート解除後、出力は即座に通常状態へ復帰
✅ IC温度は上昇するが、ショート解除後速やかに室温付近まで低下

また、数秒〜10秒程度のショートを複数回実施したが、基板・USBコネクタ・配線に異常発熱や損傷は見られなかった。

これは、本モジュールが、誤配線や突発的な短絡が発生しても、下流機器および電源側の保護を確実に行える構成になっていることを確認する結果となった。

■ Rev1.0 試験のまとめ

今回実施した各種試験により、
DKN-X06B Rev1.0は、設計時に想定していた基本機能をすべて満たしていることが確認できた。

🔹負荷試験
✅ 最大約1.8Aまで安定動作
✅ 電流増加に伴い電圧ドロップは増加するが、挙動は設計通り
✅ 連続動作時のIC温度も許容範囲内

🔹過電流試験
✅ 約1.92A付近で過電流保護が動作
✅ 赤LED点滅と同時に出力遮断
✅ 設計通り安全に停止

🔹過電圧試験
✅ 約5.3V付近からVOUT上昇が抑制
✅ 約6.8V付近でTVSダイオードが導通し過電圧を吸収
✅ 下流回路への過電圧伝達を防止

🔹ショート試験
✅ 出力短絡時、電源側CC制御とロードスイッチ保護が同時に動作
✅ ショート解除後は即座に正常復帰
✅ 部品損傷・異常発熱なし

これらの結果から、本モジュールは
「5V電源を安全に下流機器へ渡す電源フロントエンド」
として十分実用可能な性能を持つことが確認できた。

一方で、試験中にいくつかの改善ポイントも見えてきた。
次章では、Rev1.1で予定している設計改善内容について整理していく。

🟦 第11章：試験で見えたこと、Rev1.1設計へ

一連の試験を終えて、今回の基板は設計通りに動作していることが確認できた。

過電流保護は設定値付近で確実に動作し、
ショート試験でも出力は安全に遮断され、
過電圧入力時にも下流側電圧は一定範囲内に抑えられた。

つまり、
「安全に5V電源を供給するためのフロントエンド」
という当初の目的は、Rev1.0の段階で十分に達成できている。

しかし同時に、長時間の負荷試験や温度測定を通して、
いくつかの改善ポイントも見えてきた。

例えば、

✴️ 高電流時にIC周辺の温度がやや上昇すること
✴️ 出力側のバルク容量が少なく、瞬間負荷変動に対する余裕が小さいこと
✴️ 電源入力側のノイズ対策をさらに強化できる余地があること

などである。

これらはいずれも「動かない問題」ではなく、
より完成度を高めるための改良項目 と言える。

そこで次のリビジョンである Rev1.1 では、以下の設計改善を行うことにした。

■ Rev1.1で実施する主な設計改善

Rev1.0は、電源フロントエンドモジュールとして基本機能・安全機能ともに設計通り動作することが確認できた。

一方で、負荷試験・温度測定・過電流試験を通じて、
「さらに良くできる部分」も明確になったため、次回設計となる Rev1.1 では、以下の改善を行う予定である。

■ サーマルビア追加（放熱性能の向上）

高電流領域では、TPS25200およびLM66200に発熱が集中するため、
IC直下のGNDパターンへ複数のサーマルビアを追加し、裏面GNDポリゴンへ熱を逃がす構造に変更する。

これにより、

✴️ IC表面温度の低下
✴️ 局所的なホットスポットの分散
✴️ 長時間高負荷時の温度安定性向上

が期待できる。

■ 入力フェライトビーズ追加（ノイズ耐性向上）

USB電源は一見安定しているように見えるが、実際にはスイッチング電源由来の高周波ノイズを含んでいる。

Rev1.1ではVINラインにフェライトビーズを挿入し、

✴️ 外部から侵入する高周波ノイズの抑制
✴️ モジュール内部回路の安定動作向上
✴️ 下流機器へのノイズ伝播低減

を図る。

■ 出力バルクコンデンサー追加（瞬間負荷安定性向上）

Rev1.0では、LM66200出力側に0.1µFのデカップリングコンデンサーのみ配置していたが、
Rev1.1ではこれに加えて 数十µFクラスのバルクコンデンサーを追加する。

これにより、

✴️ 瞬間的な電流変動時の電圧変動低減
✴️ MCUリセットなどの瞬断トラブル防止
✴️ 実機接続時の電源安定性向上

が期待できる。

■ テストパッド追加（測定性の向上）

今回の評価試験では、
ICピンへ直接プローブを当てることが難しく、測定に手間がかかる場面があった。

Rev1.1では、

✴️ VIN
✴️ TPS25200 OUT
✴️ LM66200 OUT
✴️ VOUT

など主要ノードにテストパッドを追加し、評価・デバッグ・量産検査を容易にする設計へ変更する。

Rev1.0は「安全に動くか」を確認する段階の基板だったが、

Rev1.1では、
「使いやすさ・放熱・安定性・測定性」
まで含めた、より完成度の高い電源フロントエンドモジュールへ進化させる予定である。

🟦 第12章：DKN-X06B Rev1.0まとめ

こうして
DKN-X06B Rev1.0は、

✅ リフロー実装
✅ 動作確認
✅ 負荷試験
✅ 過電流試験
✅ 過電圧試験
✅ ショート試験

という一連の評価を無事に通過し、
「安全に5V電源を供給する電源フロントエンド」として、設計通りに機能することが確認できた。

もちろん、今回の試験で改善できるポイントもいくつか見えてきた。

放熱、ノイズ耐性、出力安定性、測定性――
これらをさらに高めるため、次のリビジョンRev1.1では設計のブラッシュアップを行う予定である。

電子工作は、一度で完成するものではない。

作って、試して、直して、また作る。
その繰り返しの中で、回路は少しずつ「使える道具」へと育っていく。

次回の記事では、
今回の評価結果を反映したDKN-X06B Rev1.1の設計改善内容と改良ポイントを、より具体的に紹介していこうと思う。

―― 開発記③へ続く

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