電源リップルの生成とテスト
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電源リップルの大きさは、電源を設計する際に考慮すべき一般的なパラメータです。その結果、リップルは電源エンジニアのテストプロジェクトで広く使用されています。本稿では、電源リップルがどのように作成され、どのようにテストできるかについて説明します。本稿で「電源リップル」とは、特に電源装置の出力のDC電圧が持つAC成分を指します。交流電圧は完全には抑制されていないため、直流電圧は周期的に変化します。
電源リップル
電源リップルには複数のタイプがあります。以下で詳しく説明します。
スイッチングサイクルのリップル
降圧回路を考えてみましょう。このスイッチングICは、特定の周波数でオン / オフします。スイッチリップルは、ICの切り替え中に発生します。つまり、これらのリップルはスイッチングサイクル内で発生します。通常、スイッチングリップルの範囲は数10kHz～数MHzです (図1参照)。
図1: 降圧回路のリップルを切り替える
スイッチングノイズのリップル
回路内の寄生インダクタとコンデンサの影響により、電源のオン / オフの切り替えに伴い、実際のスイッチング電源はスイッチングチューブ内で高周波のスイッチングノイズを発生させます (図2参照)。スイッチングノイズの周波数はスイッチング周波数を超えています。スイッチングノイズの大きさは寄生パラメータとPCBレイアウトに関係します。
図2: 実際のスイッチング電源で発生する高周波スイッチングノイズ
負荷変動
特定のシナリオでは、負荷電流が急激に変化します。図3は、急激な電流変化が出力電圧の変動を引き起こす原因を示しています。
図3: 負荷変動による出力電圧変動
実際には、多くのアプリケーションで電力リップルに対する厳しい要件があります。たとえば、無線周波数 (RF) 回路、高速クロック、および一部の高速インタフェースには、スイッチングリップルの要件と、全帯域幅でのリップル要件があります。
電源リップルの測定
オシロスコープは、リップルの測定に使用される最も一般的な計測器です。オシロスコープを選択する際には、主に次の2つの考慮事項があります。
- 帯域幅の選択: 希望する範囲内で動作するオシロスコープを選択します。たとえば、100MHzのオシロスコープを使用して500MHzリップルのテストとデータの生成を行わないでください。
- プローブの種類: 一般的なプローブの種類には、電圧プローブ、同軸ケーブル、差動プローブなどがあります (図4参照)。
図4: 一般的なプローブタイプ
本稿では、電圧プローブと同軸ケーブルのテストに焦点を当てます。
電圧プローブは事前に校正する必要があります。図5は、入力インピーダンスを無視できる非減衰型の1xプローブを示しています。オシロスコープは1MΩ、合計入力インピーダンスは1MΩです。
図5: 1xプローブのインピーダンス特性
図6は、入力インピーダンスが9MΩ、オシロスコープ内の入力インピーダンスが1MΩ、合計入力インピーダンスが10MΩのハイインピーダンスの10xプローブを示しています。10xプローブでは、インピーダンスマッチングによって信号が10倍減衰され、減衰比が高くなると信号対雑音比が小さくなります。リップルは小さい信号なので、信号に歪みが生じないため、インピーダンスマッチングのない1xプローブに適しています。
図6: 10xプローブのインピーダンス特性
テスト方法も同様に重要です。オシロスコープのプローブのアース線は小さなインダクタと同様に動作し、結果として生じる歪みのリンギングがテスト結果に影響します。一般的には、最小ツアー方式を使用してテストを行うことをお勧めします。オシロスコープの最小リングが使用できない場合は、はんだワイヤを代用できます。テスト中は、テスト回路を最小化するために、プローブをコンデンサの両端に直接配置する必要があります (図7参照)。スイッチリップルテストでは、オシロスコープの帯域幅を20MHzに制限して、テスト手法とプローブの影響を軽減することを推奨します。
図7: プローブをコンデンサの両端に直接配置する
また、スイッチリップルの累積値をテストして、電源装置の安定性を検証し、振動がないことを確認することも推奨されます。一部の負荷には高周波ノイズに対する特別な要件があり、これらの負荷は全帯域にわたってテストする必要があります。グランドインピーダンスやテストループに対しては、同軸ケーブルに比べて最小リングテストが大きすぎるため、同軸ケーブルが一般的に推奨されます。
同軸ケーブルは極性です。図8は、同軸ケーブルが出力コンデンサの正と負の端に溶接することで、より現実的な波形を生成する方法を示しています。
図8: 同軸ケーブルを出力コンデンサの正と負の端に溶接する
同軸ケーブルは、高温および低温でリップルをテストする必要がある高信頼性の製品に推奨されます。同軸ケーブルは長さが長いため、テスト結果を歪ませることなく、特に高温および低温ボックスに、ICに電力を供給するために使用する機器と一緒に同軸ケーブルを配置できます。
結論
本稿では、電源リップルを測定する基本的な方法を見直し、電圧プローブと同軸ケーブルの使い方を探りました。電源リップルの生成とテストは、要件が厳しいスイッチモード設計、一般的なスイッチングリップルアプリケーション、全帯域幅にわたって適切なリップル値を必要とするアプリケーションにとって非常に重要です。
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