Eleven Audio Michel Xiaoが語る外部DC電源とVoltCel
0. はじめに
私は長年アナログ回路設計に携わり、音質に関わるアナログ回路設計の深淵を多少なりとも覗き見できたと自負しています。それでも、一般の人々に向けて何かを書くことは常に挑戦です。
第一に、基礎的な物理・電気学知識の深さには個人差が大きいという点があります。一般の人々はオームの法則を学び、電源とは何たるかを理解したつもりになっても、直列安定化電源がよいのか、並列安定化電源がよいのか——そのあたりを考え始めると夜も眠れなくなるでしょう。一方で私たち設計側は、向き不向きを把握し、使用箇所を想定し、要求性能を割り出し、「この条件ならこちら」とケースバイケースで判断できます。
第二に、この種のコミュニケーションが文字を絶対的媒体として行われることです。知識の隔たり以上に、官能評価を文字で伝えるのは難しい。まるでエンブレムを外したVW GolfとAudi A3を、文字だけで比較しようとするようなものです。
第三に、そもそも私は他人に製品の「作り方」を教えるつもりはありません。しかしオーディオ愛好家には好奇心があり、一定の「知る権利」もあります。それは満たされるべきだとも考えています。本稿では、各種DC電源の比較とVoltCelの理念を説明し、結果としてどのような効果が起こるのかを述べます。先の例えで言えば、VW GolfとAudi A3を実際に運転するとどう違うのかを説明するのであって、車の作り方を教える記事ではありません。
第四に、以上を踏まえたうえで「技術総括」を行うことです。メーカーは嘘をつかず、ユーザーは読んで製品理念を理解する。これが本稿の目的であり、それが達成できれば、私たちも皆さんも満足できるはずです。
0.1 前提条件
以下を前提として読み進めてください。
- オームの法則、すなわち「電流＝電圧／抵抗」をおおよそ理解していること。
- 「高級な音色」とは何かを理解できるオーディオ愛好家であること。単に高域・低域や音場の解析力だけを区別できる人ではないこと。
1. オーディオにおいてDC電源に求められるもの
まず、オーディオにおいてDC電源に求められる要素を整理します。とくに誤解されがちな「ノイズ」と「電圧安定性」に触れます。
私たちが音質改善を考えるとき、どんなシステムでも必ず「ノイズ」という言葉に出会います。レコード再生から最新のストリーミング再生まで、オーディオアクセサリーの解説で「ノイズ」は頻出します。しかし頻出するからこそ、そしてどんなものにも必ず発生するからこそ、改善対象としての重要度を冷静に見極めなければなりません。「ノイズが低いほど音が良い」は確かですが、それだけでは粒度が粗い。もっと細かく見なければならないのです。
電源の技術指標の中で「ノイズ」は、もっとも単純で誤解を招きにくい指標です。そして皮肉なことに、実は重要度が低い指標でもあります。電源が本質的に抱える問題に比べれば、ノイズの問題は無視できるほど小さいことが多いのです。外部環境や負荷変化の影響を受けにくく、測定もしやすいため指標として頻出しますが、大抵の場合、ノイズ値は非常に小さく、聴感上の影響は限定的です。
もちろん例外はあります。MC用ヘッドアンプや高感度IEM用ヘッドフォンアンプなど、極端なローノイズが要求される機器ではDC入力のノイズが効くことがあります。そういう場合に何を使うべきか——皆さんご存じでしょう。バッテリーです。ただしバッテリーがすべての用途で最良かといえば、そうではありません。電圧が固定され、残量で大きく電圧が変動し、消費電力によっては巨大なバッテリーが必要になります。
※左SUTHERLAND Ph3D、右Sonodore PPA-12、定電流のフォノイコライザー・ヘッドアンプではしばしば単一電池や鉛蓄電池など、バッテリーが使用されます
2. 「電圧安定性」という本題
「電圧安定性」という言葉は、オーディオ分野ではあまり語られません。なぜならノイズとは正反対に、外部環境や負荷変化の影響を大きく受け、正確な測定が難しいからです。さらに意味する範囲が広すぎて、音質との関連を細かく落とし込もうとすると極めて難解になり、読者が「エウレカ！」と納得できません。納得できなければ製品は売れませんから、製品説明文は分かりやすい「ノイズ」に寄っていきます。
しかも、一般に語られるラインレギュレーションやロードレギュレーションといった仕様値は、静的条件での測定に過ぎません。実動作環境ではほとんど意味を持たないデータです。実際の動作状態において、負荷変動が電源にどう影響するかを理解すること——それこそがオーディオ用電源設計の本質です。
例えば、TI LM1117のデータシートに掲載されているグラフでは、負荷電流が変化した際にLDO出力へ約0.2Vのスパイクが生じることが示されています。0.2V級の電圧スパイクに比べれば、μVレベルのノイズは問題になりません。さらに、電圧が上昇する場合と下降する場合では、スパイクの立ち上がりや回復挙動が異なり、対称ではありません。これは重大な非線形性の原因になります。実動作環境では動的負荷によって深刻で複雑な歪みが生じ得るのです。
では、特別に優れた電源ICは存在するのでしょうか。残念ながら、実際のところ差は大きくありません。現代の電源IC設計は、むしろ別の指標を重視しています。すなわち、より低いμVレベルのノイズ、より低いドロップアウト電圧、温度安定性、小型化、高出力密度、そしてコスト最適化です。
3. 現在の電源ICはオーディオに十分か
結論から言えば、十分ではありません。TI LM1117が示すように、オーディオ用オペアンプの要求水準と比べると、2桁以上劣っているのが現状です。
この問題を明らかにするには、電源ICがどのような前提で設計されているかを押さえる必要があります。製品はすべて目的に応じて設計されます。高級な一般乗用車のタイヤであっても、時速400kmを前提に安全設計されてはいません。電源ICも同じです。現在の電源ICは大きく言って二種類の需要を対象にしています。一般回路用と測定回路用です。
3.1 一般回路用：要求が違う
一般回路とはデジタル回路、あるいはデジタル・アナログ混在回路を指します。これらは電源に対して精度や高周波特性、システム安定性を厳しく要求しません。安定性はICごとにデカップリングコンデンサを付けることで確保されます。0.1μF程度が一般的で、電源バスがどれほど良くても、この0.1μFなしではシステム安定性は保証されません。
電圧精度要求はロジック回路基準です。たとえば「0.8V未満は0、1.8V超は1」といった世界で、0と1に誤りが出なければ良い。先に挙げた0.2Vの誤差があっても十分に動作します。つまり一般回路では「電圧安定性」を音の文脈で要求しないのです。
3.2 測定回路用：方向性が違う
測定回路向けの電源ICは素晴らしい性能を持ちます。しかしその方向性は、オーディオ機器で求められる性能とは異なります。たとえばAnalog Devices ADR1001は、変動が1万分の1％以下という超安定電源で、熱雑音・温度ドリフト・耐振動など物理限界に迫ります。 一方で、オーディオ機器が求める駆動能力や広帯域応答性は想定されておらず、性能を引き出すには恒温槽が必要です。これはマルチメータのための設計であって、オーディオのための設計ではありません。
4. オーディオ機器は電源に何を求めるのか
私たちの関心は「聴感に影響する」指標だけです。静的な誤差補正ではなく、システム設計としての線形電源アーキテクチャが必要になります。あらゆる負荷変動に対応するために、フィルターの零点・極点配置、応答モード設計を重視し、ハイエンド・パワーアンプ級の高速性、精度、極低歪、そして純アナログ電源で最も難しい「安定性」を同時に満たす必要があります。
マルチメータの静的な7½桁精度は、ここでは本質ではありません。オーディオで使うなら、少なくとも動的16bitレベルから始めるべきです。
そして残念ながら、オーディオ専用の電源ICは存在しません。オーディオ業界で使われる数量を考えると採算が合わないのです。ICメーカーはLED、モバイルバッテリー、ロボット掃除機、電気自動車向けのICを作った方がよほど儲かります。電源ICに限らず、技術アピールで一時的にオーディオ向けが出ても、数年で生産完了になり、製品採用されにくいし、採用しづらいのが実情です。
※パワー半導体でトップシェアを誇るInfineonは、「気まぐれ」でD級パワーアンプICを作りましたが、半数が生産完了になってしまいました
5. 市場にある「オーディオ専用DC電源」は何をしているのか
DC入力を備えたオーディオ機器が増えたことで、外部DC電源も多く市場に存在します。技術手段は大きく四種類に分けられます。
(1) 部品を積み上げたリニア電源
(2) 既製電源ICを用いた拡張型
(3) コンセプト重視型
(4) 素材・構造重視型電源
5.1 部品を積み上げたリニア電源（「アナログらしい音」と定評があるもの）
伝統的な電源トランスを用い、整流ダイオードやコンデンサ群をアップグレードし、場合によっては“オーディオ的アクセサリー”を添える構成です。
伝統的なトランスは、低周波コアに銅線を巻いたもので、50Hz入力なら50Hz出力、60Hz入力なら60Hz出力です。理想的には入力を鏡像で出力します。しかし現実はそうはいきません。動的1％誤差を達成できると言う者がいればノーベル賞ものです。そうだとしても、1％では7bitにも届きません。
トランス＋整流ブリッジ＋コンデンサ平滑の動作を負荷変動の観点で見ると、理想とは程遠いと言えましょう。電圧が上昇する局面ではトランスが整流ダイオードを通じてコンデンサを充電しつつ負荷へも供給します。電圧が下降する局面ではトランスは実質的に無負荷となり、整流ダイオードは遮断され、コンデンサが負荷へ供給します。
このとき見落とされやすいのが、整流ダイオードの遮断挙動です。ダイオードは瞬時に“パチン”と遮断されるのではなく、導通から遮断へ移行する過程で一種のコンデンサのように振る舞います。この等価容量は逆方向に充電される必要があり、充電が完了して初めて遮断されます。
ここでメーカーは「内部抵抗はほぼゼロ」と言いたがります。では仮に、トランスが48Vを供給し、整流ダイオードとコンデンサの内部抵抗も“ほぼゼロ”だとしたら、充電電流はどうなるでしょう。無限大とまでは言わないにせよ、とんでもない値へ振れる方向になります。内部抵抗を0.1Ωと仮定すれば理論上は480A、1Ωでも48Aです。PCB配線や部品定格の感覚からすれば、連続的に扱える水準ではありません。
そういうわけで、現実の電源は、そんな都合の良い世界では動きません。電源インピーダンス、配線抵抗、整流素子の抵抗、そしてトランスの漏れインダクタンスが、必ず充電電流を制限します。つまりコンデンサは、整流のピークが来た瞬間に「流れたいだけ流れて一気に満充電」という動作はできず、限られた時間の中で、限られた電流でしか充電できない。この整流ピーク時の大電流を、ここでは便宜的に「ピーク充電電流」と呼びます。
簡単なモデルで挙動を確認しましょう。十分な容量のトランス、理想整流器、10000μFのコンデンサを想定し、50Hz交流を全波整流すると100Hzになります。コンデンサは約10msの間、単独で負荷へ電力を供給します。負荷電流が一定の3Aなら、この10msで電圧は約3V低下します。初期電圧が25Vなら22Vまで落ちる計算です。電圧が落ちる直接原因はこの放電です。
問題は、その落ち込みを次の整流ピークでどれだけ埋め戻せるかです。理屈の上では、整流ピークで一気に充電して谷を浅くしたい。ところがそこで効いてくるのが、先ほどのピーク充電電流の制限です。埋め戻しが追いつかなければ、谷は残り続け、結果としてリップルは構造的に大きいままになります。リップルは想像以上に大きくなり得る——その理由はここにあります。
さらにコンデンサ放電時の挙動も一筋縄ではいきません。大容量電解コンデンサの高周波特性は理想的ではなく、寄生インダクタンスやESRにより、数kHz帯域では振る舞いが大きく変化します。場合によってはインダクティブに振る舞い、電流供給能力が急速に低下することもあります。ここは容量値だけでは語れません。
加えて、整流ダイオードの逆回復特性は電源レールにスパイクを生みます。これらが配線やコンデンサの寄生成分と共振すると、瞬間的な電圧変動の結果は読みづらくなります。整流素子やコンデンサを変えると音の印象が変わるのは、耳が敏感だからだけではありません。電源の電気的挙動が本当に変わっているのです。
結論として、従来型リニア電源は基本的で堅牢な一方、性能が部品特性に強く依存します。部品を変更すれば挙動が変わるのは自然なことです。長い歴史を持つ構造ですが、必ずしも理想的とは言えません。
5.1.1 伝統的リニア構成とスイッチング電源の比較
伝統的トランス＋整流＋平滑コンデンサ構成は、自然で豊かな聴感を得やすく、物量投入が視覚的な安心感にもつながります。部品選択や交換で傾向を調整しやすく、ノイズの主成分が低周波に集中するため対策の方向性も明確です。
一方で大電流負荷時には商用電源周波数の2倍成分によるリップルが増大し、出力電圧の変動や電圧損失が大きくなる可能性があります。周波数特性に依存した内部インピーダンスを持つため、動的挙動の予測が難しい点も弱点です。
スイッチング電源（AC-DC / DC-DC）は、負荷変動に対して出力電圧を高い精度で維持しやすく、リップルが負荷電流に単純比例しないため電圧保持能力が高いです。
ただしインダクタやスイッチング素子由来の高周波ノイズが発生し、急峻な負荷変動時の過渡応答が複雑になり、瞬間的なスパイクが生じる場合があります。構成や実装次第では、聴感上の厚みが不足する傾向も指摘されます。
5.2 既製電源ICの拡張型
この方式はトランス電源やスイッチング電源の後段に配置され、レギュレータとして動作します。多くの製品では既製の電源ICに外付けトランジスタを追加し、電流能力を拡張します。実装容易性という観点では合理的ですが、オーディオ用途として必ずしも最適とは限りません。採用が多い理由はシンプルで、「作りやすい」からです。「最適だから」ではありません。
拡張型のポイントは二つです。なぜ容易か、そしてなぜ制約が出るか。市場には膨大なLDO（低ドロップアウト・レギュレータ）があり、データシートには外付けトランジスタによる拡張例が示されています。例通りに組めば大電流レギュレータができ、二次開発も最小限で済みます。
そもそもこの手の拡張型ICはオーディオ用途の性能を満たしているわけではありません。え？そうじゃないでしょ？と反例がすぐ思い浮かぶ方は、大変勉強されている方です。TI SBOA237やAnalog Devices CN0162などのアプリケーションレポートには、TI TPS7A4701やAnalog Devices ADP3336が載っています。確かにそれらの電源ICは、他の測定機向け電源ICに比べて単にノイズ性能が優れているだけではなく、動的負荷変動が「比較的」優れています。一方で、「比較的」なだけであって完璧ではないこと、またそれぞれ1A、0.5Aしか出力できない点が問題です。もちろん、パラレル構成にすれば大電流を引き出せると思うでしょう。
※TI TPS7A4701の負荷過渡応答、先のLM1117に比べればはるかに優れていますが、それでも3.3Vに対して数mVの変動=12bit程度であり、また上下非対称です。加えて、時間軸スケールにも注目する必要があります。安定するまでに0.3秒を要し、変動の少ないところに使うならともかく、オーディオ的に十分ではありません。
※Linear Technology（現Analog Devices）LT3045の負荷過渡応答、TPS7A4701に比べて短い時間での安定化が見られ、LM1117よりも1桁小さい変動ではありますが、それでも上下非対称です。また、0.5Aしか出力できません。
しかし多段構成では、極点・零点・遅延・位相特性が増えます。単体最適化されたLDOに出力段を追加すると制御ループ特性が変わり、安定性確保のため帯域を絞れば、動的応答が制約されます。データシートの拡張回路は特定条件での安定動作を保証しますが、すべての条件で性能が維持されるとは限りません。データシートの測定値は、常に最良の数値を示しており、電源が複雑・不安定になれば、発振や異常動作が起こり得ます。設計には慎重さが必要です。
5.3 コンセプト重視型
市場にはバッテリー駆動を特徴とする電源製品もあります。内部を見ると、バッテリーの後段にDC-DCコンバータを置いて昇圧・安定化しているケースが多いです。この構成自体は用途によって合理的ですが、設計思想を理解したうえで評価すべきです。結局のところ、多くは5.1か5.2のどちらかに分類されます。
※18650セルバッテリーにLDOを用いた製品の一例。同製品はトップウイングも製品評価の一環で購入しましたが、少なくとも入手した個体は無負荷時に電圧が跳ね上がるため、使用に注意が必要とみています。
5.4 素材・構造重視型電源
伝統的なオーディオケーブルメーカー大手が、驚くほど美しく、そして驚くほど高価なDC電源を出したことを覚えています。中身もまた、彼らが長年磨き上げてきた“得意技”の見本市でした。神秘的な合金ケーブルとコネクタ、特注コンデンサ、宝石を用いた筐体防振、特許端子——さらには「微小磁場を整える」と称するナノサイズの“神油”をプラグに塗布する領域にまで踏み込みます。
私はこうした技術を、いつもどこか敬愛しています。ひとつは、正直に言って私には完全には理解できないから。もうひとつは、効果が魔法のように現れ、そして実際に音が良いからです。高価でも売れるのには理由があります。
ただし、これは私の道とは別の道です。私は数十個のトランジスタで精緻な回路を組み上げ、問題を“回路として”解決します。一方で、オーディオ材料学という世界は、私にとって扉の外から覗くしかない領域でもあります。幸い、その分野には一流のパートナーがいます。米国JPS Labsです。高級ケーブルが必要なときは彼らの製品を使います。本当に良く、効果は即座に現れます。
6. いよいよVoltCelについて語る
ここから先は、VoltCelそのものについて述べます。VoltCelとは何か。何をしているのか。そして、なぜそこまで言い切れるのか。順番に整理します。
6.1 VoltCelとは何か
VoltCelを理解する最短距離は「何ではないか」から入ることです。VoltCelはスイッチング動作を一切行いません。分類としてはリニア電源に属します。しかし、従来の意味でのレギュレータでもありません。電圧を“静的に”安定させる装置ではなく、負荷が刻々と変化する現実の動作環境で、電源が崩れないこと——すなわち極限の動的電源供給能力を実現するために存在します。
同じ理由で、VoltCelは電源フィルターでもありません。何かを減らす、削る、平滑化するという「マイナス方向の改善」を主目的にしていないからです。VoltCelは従来型の電源アイソレーターでもありません。絶縁を目的とせず、電源と負荷の間で電力供給の挙動そのものを整える装置です。使い方を誤ると期待した結果が出ないため、ここは注意が必要です。 さらに重要なのは、VoltCelが既存ICの応用製品ではないことです。既存レギュレータICの“うまい使い方”ではなく、ゼロから設計されたディスクリート回路で構成されています。したがって直接比較できる類似製品は存在しません。比較対象がないというのは誇張ではなく、設計思想そのものが従来の枠外にあるという意味です。
VoltCelは複数の固定電圧モデル（5V / 7V / 12V / 15V / 19V / 24V）を用意し、用途に応じて最適な電圧で動作させます。5V / 7V / 12V / 15VモデルはUSB-PD入力にも対応します。最大10A級の電流供給能力を持ちながら、狙っているのは単なる“大電流”ではありません。過渡的な電流要求に対する応答速度と線形性です。
そのためにVoltCelは、BTR（Balanced Transient Response）で電圧変動の「上がる／下がる」の非対称性を補正し、過渡応答のバランスを整えます。さらにLDCD（Linear Dynamic Current Drive）により、負荷が要求する電流を高速かつ線形に供給し、音声信号の動的変化に追従できる電源動作を実現します。
要するに、VoltCelはオーディオ用途に特化した電源であり、その設計要素は聴感性能の向上へ直結しています。解像度、密度感、質感、低域の安定、高域の伸び、ダイナミクス、空間表現——それらを同時に前進させることを狙っています。
6.2 VoltCelは何をしているのか
VoltCelがしていることは、突き詰めれば「良い電源が本来すべきこと」です。負荷がどれほど複雑であっても、激しく変動しても、あるいは繊細であっても、帯域・応答速度・安定性のすべてにおいて十分な電力を供給する。電源側の都合で音楽信号の挙動が制限される——その状況を極限まで減らす。VoltCelの役割はそこにあります。
6.3 VoltCel設計への確信はどこから来るのか
VoltCelについてここまで言い切れるのは、思想だけではなく、実装と理論の両側に根拠があるからです。確信の源は五つあります。
第一に、アナログ回路を理解していること。現象を“測って終わり”にせず、なぜそう振る舞うのかを回路として掴む。過渡現象・安定性・帯域を正面から扱う設計では、ここが土台になります。
第二に、ディスクリート回路を設計し切る力。評価を得てきた経験は単なる実績ではなく、「追い込む手順」が身体に入っているということです。
第三に、回路によって聴感を作るという理解。ハイエンドとは音響効果の付け足しではなく、音楽をより説得力ある形で再現することです。
第四に、現代制御理論に基づく安定性設計という専門的基盤。アナログ電源は条件付き安定の世界で成立しており、極点・零点配置や遅延を含めた全体設計が不可欠です。
第五に、既存方式の限界を理解していること。既存方式の長所を認めつつ、オーディオ用途で“天井”になり得る制約を正面から扱うための設計がVoltCelです。
6.4 既存電源方式の限界（要点）
トランス式リニア電源の問題は、コンデンサ充電時のピーク電流が系全体へストレスを与えること、そして容量増大が万能解ではないことです。
スイッチング電源は平均値制御に強い反面、瞬間的な負荷変動への追従に制約が残り、音として“痩せる”方向に出る場合があります。
PD/QC急速充電器は柔軟ですが、音質用途を前提とした過渡応答の追い込み思想ではありません。
アクティブ波形生成型は、電流駆動能力の泥沼に入り込み、条件次第で必要ピーク電流が定格計算を大きく超える可能性があります。
6.5 VoltCelの適用領域
VoltCelの効果は特定の機器に限定されません。ただし傾向として、アナログ寄りほど変化が大きく、元がスイッチング電源であるほど、また消費電力が大きいほど効果が分かりやすくなります。デジタルアンプ、フォノイコライザー、スタジオ機器、プリアンプ、ヘッドフォンアンプ、DAC、アクティブクロスオーバーなど、“電源の癖が音に出る”機器では改善が明確に現れやすいです。
一方でストリーミングサーバー、ネットワークプレーヤー、ブリッジ、ルーター、スイッチ等のデジタル機器でも、電源由来の揺らぎが別の形で聴感に影響し得ます。用途は「オーディオ関連のDC電源」であれば広く対象になります。
6.6 VoltCel使用の基本原則
VoltCelは前段電源と後段負荷の間に挿入して使用します。重要なのはVoltCel単体の性能ではなく、“システムとして成立させる条件”です。前段電源は後段負荷の要求を上回る電流供給能力を持つこと。前段が息切れすれば天井は前段で決まります。
前段電圧は後段の要求電圧に対して最低でも3V以上の余裕を確保してください。これはVoltCelが動作するためのヘッドルームです。3V未満では条件が厳しくなり、意図した性能を引き出せません。実際には、前段側の下向きスパイク、電流変動による電圧ドロップ、ケーブル・プラグの内部抵抗、商用電源変動による前段出力の揺らぎを考慮し、必要に応じて余裕を上積みします。たとえば0.5V級の下向きスパイクが想定されるなら、3.5V以上を確保するといった判断になります。
電圧差が大きいこと自体は問題ではありません。増えるのは主として発熱であり、性能の方向性が悪化するわけではありません。接地についても特別な作法を要求するものではなく、前段と後段が適切であれば過度に神経質になる必要はありません。
7. 結び
音の限界は回路で決まり、回路の限界は電源で決まります。VoltCelは、その最後の制約に向き合うための電源です。
