電源におけるリップルと過渡現象の測定方法

CUI Incの役立つ記事を読んで、電源のリップルと過渡現象の測定方法について詳しく学びましょう。

電源を評価する際に最も一般的な仕様のうちの2つは、リップルと過渡応答です。それらは簡単な測定のように見えるかもしれませんが、正確なデータを得るために考慮すべき重要な側面が2つあります。1つ目はオシロスコープのプローブを使用する際の測定技術であり、2つ目はそのデータが指定される特定の条件に関係しています。

オシロスコーププローブを用いた正確な測定技術

リップルやトランジェントを測定する前に、オシロスコープでプロービングする際の背景を説明します。関心のある信号の大きさはミリボルトで測定される傾向があるため、増幅された内部信号や外部から拾われる信号が容易に信号を隠したり歪めたりし、誤った結果を招く可能性があります。適切なプロービング測定技術を用いてこれを軽減することが非常に重要です。
 
テスターが良好な測定を確保するためにできる最も重要なことは、プローブによって作られるグランドループを最小限に抑えることです。プローブのリターンパスによって作られるループは、内部ノイズを増幅し外部ノイズを拾う原因となるインダクタンスを引き起こします。プローブには通常、下の画像に示すようなアリゲーター型のグランドクリップが付属しています。接続が簡単ですが、これらのグランドクリップは大きなグランドループを生み出し、これらの測定には推奨されません。代わりに、小さなグランドループを実現するための一般的で好ましい方法が2つあります：「チップとバレル」法と「ペーパークリップ」法です。

チップとバレルの方法では、グランドカバーとプローブクリップを取り除き、プローブのチップとバレルを露出させます。次に、プローブのチップを出力電圧に当て、バレルをチップに非常に近いポイントでグランドに接触させるように角度を付けます。この方法の欠点は、アクセス可能なプローブポイント、つまりチップとバレルの両方を適用できるポイントが理想的ではない場合や、出力コンデンサから距離がある場合があることです。理想的には、プローブは出力コンデンサにできるだけ近づけて配置するべきです。

これらが良好な信号を取得する唯一の方法ではありませんが、選択した方法に関わらず、グランドループを可能な限り小さく保つよう努めるべきです。

リップルおよびノイズ

リップルは、電源の内部スイッチングによって引き起こされる出力電圧の固有の交流成分です。ノイズは、電源内の寄生効果が出力電圧に高周波の電圧スパイクとして現れるものです。データシートは、リップルとノイズによって引き起こされる出力電圧の最大ピーク間の偏差を指定しています。上記で述べたように、測定が電源のリップルとノイズを正確に表現していることを確保するために、良好なプロービング方法を使用することが重要です。
 
リップルとノイズをテストする際には、いくつかの条件を覚えておく必要があります。まず、負荷がリップルに大きな影響を与えるため、データシートに示されている通常はフルロードの同じ負荷条件で測定を行うことが重要です。入力電圧もリップルに影響を与えるため、テストは関心のあるすべての入力電圧で行う必要があります。電気的条件に加えて、測定の目的で出力に外部コンデンサ（通常は10 µFの電解コンデンサと0.1 µFのセラミックコンデンサ）が適用されることを指定することが多いです。プローブはこれらのコンデンサの近くに配置する必要があります。最後に、この測定のためにオシロスコープのチャンネルに20 MHzの帯域幅制限を指定することが一般的です。
 
一般的には、このテストを行うには1つのスコーププローブのみが必要であり、プローブは上記で説明したプローブ測定方法を使用して、出力コンデンサまたは指定された外部コンデンサに配置されます。

過渡応答

過渡応答とは、負荷の変化によって出力電圧が偏移する量を指します。負荷が変化すると、電源は新しい条件に即座に反応できず、過剰なエネルギーを持つか、エネルギーが不足します。過剰なエネルギーまたは不足するエネルギーは出力コンデンサの責任となります。これらは電荷を放出して負荷を維持し、電圧の低下を引き起こしたり、過剰なエネルギーを蓄えて電圧の上昇を引き起こしたりします。いくつかのスイッチングサイクルを経て、電源は負荷に必要なエネルギーだけを蓄えるように調整され、出力電圧は公称値に戻ります。過渡応答を測定する際には、出力電圧が公称値から偏移する量、回復に要する時間、または電圧が規定された制限値を超える時間に関心があります。
 
リップルやノイズとは異なり、負荷と入力電圧に限定された条件のみで生じるものではない過渡応答は、いくつかの追加条件もその測定に影響を与える可能性があります。注意すべき重要な条件は、適用される負荷ステップのスルーレート、開始電流、および終了電流です。スルーレートは過渡応答に大きな影響を与えます。負荷の変化が速いほど、電源が変化する条件に追いつく前に出力の偏移が大きくなります。開始および終了電流レベルも影響を与える可能性があります。電源は軽負荷時に異なる動作をすることが多く、これらの領域をまたぐ過渡は、単一の領域で発生する過渡の場合とは異なる反応を電源が示す可能性があります。開始と終了の電流、ならびにスルーレートは、電流が変化する時間を決定し、指定された条件に一致する必要があります。
 
過渡応答を測定するためには、ユーザーは2つのスコープチャネルを必要とします。最初のプローブは、出力ピンまたは調整ポイントの近くにある電源の出力に接続する必要があります。調整ポイントから離れたところで出力電圧を測定すると、出力ケーブル内の電圧降下によって2つの負荷状態間で直流オフセットが生じます。2つ目のプローブは、電流または過渡負荷変化に同期する信号のものである必要があります。このプローブはトリガーとして使用され、結果として生じる出力電圧の偏移を明確に見ることができます。

結論

リップルとトランジェントは、電源の評価において一般的です。オシロスコープでこれらの特性を測定する際には、対象となる信号の歪みを避けるためにプローブループ面積を最小化することが重要です。適切なプローブ測定技術に加えて、データシートがこれらの測定を指定する条件を理解し、遵守することも重要です。これによって、比較が有効になります。
 
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