高周波、コモンモード電流、電圧、およびインピーダンスの測定 (パートIII)
はじめに
本稿は、フライバック・コンバータを使用した高周波、コモンモード (CM) 電流、電圧、およびインピーダンスの測定方法について説明する3部構成シリーズの最後のパートです。パートIでは、放射EMIの基本原則と、フライバック・コンバータのトポロジーでコモンモード電流を測定するための従来の方法について説明しました。パートIIでは、コモンモード電流測定誤差に対するフェライト・ビーズソリューションとコモンモードインピーダンスの取得方法を検討しました。パートIIIでは、スイッチングノイズ源の影響について説明し、等価電圧源を測定し、提案された測定方法を検証します。
スイッチングノイズ源の影響
パートIIのコモンモードインピーダンス測定方法に基づいて、二次スイッチングノイズ源の影響を同様に測定できます。降圧フライバック・コンバータの場合、一次スイッチング電圧の振幅が大きくなります。これは、一次側が二次側よりも大幅により大きな影響を与えることを意味します。したがって、パートIで確立した放射モデルは、主に一次ノイズ源の影響に依存しています。
図1は、一次電圧源と二次電圧源(それぞれ、(VPRIおよびVSEC) によって発生するコモンモードノイズの比較を示します。
図1 : 一次および二次電圧源の影響の比較
VPRIは、コモンモードノイズに大きな影響を与えるため、VSECをソースとして無視して、パートIIの放射モデルの値を適用できます。
コモンモードモデルに従って、トランスを取り外し、一次側と二次側の間のインピーダンスを測定することにより、コモンモードパス上のアンテナインピーダンスおよび、その他のインピーダンスを取得できます。図2に、このインピーダンス測定方法を示します。
図2 : 一次側と二次側のインピーダンス測定方法
インピーダンスを測定するときは、近接場結合による干渉を避けるために、伝送ラインにフェライト・ビーズを追加することを推奨します。ただし、コンバータが動作していないときは、結合の影響は顕著ではありません。
図3は、ZCMTRANSとZCMCONV + ZANTENNA間の測定結果を比較しています。これらのインピーダンスは、30MHz～100MHzの間で本質的に容量性です。さらに、高周波でのトランスのインピーダンスは、他のコモンモードとアンテナのインピーダンスの合計よりも小さくなります。放射を効果的に低減するには、等価ノイズ源を低減するようにトランスを設計することが推奨されます。この方法は、トランスの一次側と二次側の間のインピーダンスを増やすよりも効果的です。
図3 : インピーダンスの比較
フライバックコンバータのコモンモードノイズ電圧の測定
フライバックコンバータの場合、一次側と二次側の間の等価電圧源が、入力ラインと出力ラインの間のコモンモードノイズの主な原因となります。ただし、オシロスコープの電圧プローブで等価電圧源を直接測定することはできません。これにはいくつかの理由があります。
- オシロスコープの解像度の限界があるため
- 高周波が大きな振幅 (たとえば、数百ボルト) と組み合わさっている場合、プローブの帯域幅が狭くなる可能性があり、高周波信号の測定がより複雑になるため
したがって、コモンモードノイズを直接測定する場合、測定される信号がミリボルトの幅 (最大数百ミリボルト) 内にあると、相対的に誤差が大きくなる可能性があります。
一次側と二次側の間の等価電圧源を計算するには、オシロスコープの前面にハイパスフィルタを組み込んで、電源周波数成分を除去する必要があります。
正確な結果を得るには、測定デバイスが次の3つの条件を満たす必要があります。
- 測定回路の入力インピーダンスが、トランスのコモンモードインピーダンスまたはアンテナインピーダンスを超えている必要がある
- ハイパスフィルタのカットオフ周波数が、数MHzの範囲内である必要がある (30MHzを超える周波数を測定する場合)
- 測定回路の出力インピーダンスが、オシロスコープの入力インピーダンスを大幅に下回る必要がある
図4は、電圧プローブを一次側と二次側のグランドに接続して、両サイド間で電圧差 (VGNDS) を測定する、提案されたテストのセットアップです。オシロスコープをハイパスフィルタを介して接続します。干渉を減らすために、フェライト・ビーズが各テストラインに配置されます。
図4 : フィルタを追加して高周波電圧測定回路を改善
測定されたノイズ電圧 (V’GNDS) を、ノイズ電圧源 (VCM) に近い値にするために、いくつかのフェライト・ビーズを入力ラインと出力ラインに追加して、トランスのコモンモードインピーダンスとノイズ源の間の電圧分割を最小限にします (図5参照)。
図5: フェライト・ビーズを使用した改善された高周波電圧測定方法
図6は、ハイパスフィルタがある場合とない場合の測定結果を比較しています。ハイパスフィルタがない場合、高周波電圧測定はノイズに圧倒されます。ハイパスフィルタがあると、より正確な結果が得られます。
図6 : ハイパスフィルタを使用した場合と使用しない場合のコモンモード電圧測定結果の比較
測定されたコモンモード電圧とパートIIで得られたコモンモードインピーダンスを使用することで、コンバータのコモンモード電流を予測し、コモンモード電流のテスト方法も検証できます。
図7は、コモンモード電流を測定する際の同軸ラインと入力ラインの試験結果、および予測されたコモンモード電流を比較しています。フェライト・ビーズを追加すると、コモンモード電流の結果は予測結果に近くなります。これにより、これらの高周波パラメータテスト方法の精度がさらに裏付けられます。
図7 : テスト同軸と入力ラインフェライト・ビーズがある場合とない場合のコモンモード電流測定値の比較
結論
この3部構成のシリーズ全体を通して、フライバックコンバータのトポロジーでの高周波、コモンモード電流、電圧、およびインピーダンスの測定について詳しく説明しました。放射EMIの基本原理を確認し、測定誤差の原因に対処することで、フライバックコンバータのコモンモードインピーダンスとコモンモードノイズ電圧を取得することに成功しました。要約すると、正確な放射EMI分析は、電圧、電流、インピーダンスなどの重要なパラメータを測定する際の一般的なミスを防ぎます。
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