CUI Inc のこの役立つ記事で、電源のリップルと過渡現象を測定する方法について詳しく学んでください。
電源を評価する際に最も一般的な2つの仕様は、リップルと過渡です。単純な測定のように思えるかもしれませんが、正しいデータを取得するには、留意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手法であり、2つ目はそのデータが指定される特定の条件に関係します。
オシロスコーププローブを使用した適切な測定テクニック
リップルまたは過渡現象の測定を試みる前に、オシロスコープを使用したプローブに関する背景について説明する必要があります。対象となる信号の大きさはミリボルト単位で測定されることが多いため、増幅された内部信号や拾われた外部信号によって信号が不明瞭になったり歪んだりして、不正確な結果につながる可能性があります。適切なプローブ測定技術を通じてこれを軽減することが非常に重要です。
テスターが適切な測定を確実に行うために最も重要なことは、プローブによって作成されるグラウンド ループを最小限に抑えることです。プローブの戻り経路によって作成されたループはインダクタンスを引き起こし、内部ノイズを増幅したり外部ノイズを拾ったりする可能性があります。プローブには通常、下の画像に示すようなワニ口型のアース クリップが付属しています。接続は簡単ですが、これらのアース クリップは大きなアース ループにつながるため、これらの測定には推奨されません。代わりに、小さなグラウンド ループを実現するための一般的な推奨方法が2つあります。「チップとバレル」方式と「ペーパークリップ」方式です。
長いグランドクリップによって生じる大きなグランドループ
チップとバレル方式では、グランド カバーとプローブ クリップが取り外され、プローブのチップとバレルが露出します。次に、プローブの先端を出力電圧に適用し、バレルを角度をつけて、先端に非常に近い点で接地するようにします。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離れてい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のできるだけ近くに配置する必要があります。
チップとバレル法の理想的なセットアップ
一方、ペーパークリップ方式は、先端とバレル方式を採用し、短いリード線が付いた小さなコイル状のワイヤーをバレルに追加します。これにより、プローブにピンセットのような先端が作成され、ループ領域を小さく保ちながら、より柔軟なプローブの位置が可能になります。
ペーパークリップ法の理想的なセットアップ
これらは良好な信号を取得するための唯一の方法ではありませんが、選択した方法に関係なく、グラウンド ループを可能な限り小さく保つように努める必要があります。
波紋とノイズ
リップルは、電源装置の内部スイッチングによって発生する出力電圧の固有のAC成分です。ノイズは電源装置内の寄生現象であり、出力電圧に高周波電圧スパイクとして現れます。データシートには、リップルとノイズによって生じる出力電圧の最大ピークツーピーク偏差が指定されています。上で説明したように、測定値が電源のリップルとノイズを正確に表すようにするには、適切なプローブ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ときは、覚えておくべき条件がいくつかあります。まず、負荷はリップルに大きな影響を与えるため、データシートに指定されているのと同じ負荷条件（通常は全負荷）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、テストは対象となるすべての入力電圧で実行する必要があります。電気条件に加えて、多くのメーカーは、測定の目的で電源の出力に適用される外部コンデンサ（通常は10 µF程度の電解コンデンサと0.1 µFのセラミックコンデンサ）を指定します。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、この測定では、オシロスコープ チャネルに20 MHzの帯域幅制限を指定するのが一般的です。
一般に、このテストを実行するには1つのスコープ プローブのみが必要であり、そのプローブは、前述の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。
プローブ測定の良し悪しの例: 大きなグランドループのリップルとノイズの測定 (左) と「ペーパークリップ」法 (右)
過渡応答
過渡応答とは、負荷の変化によって出力電圧が変化する量です。負荷が変化すると、電源は新しい条件にすぐに反応できず、蓄積されたエネルギーが多すぎるか、または不足することになります。エネルギーの過剰または不足は出力コンデンサの責任となります。負荷を維持するために電荷を消費して電圧が低下するか、余分なエネルギーを蓄積して電圧が上昇します。数回のスイッチング サイクルにわたって、電源は負荷に必要なエネルギーのみ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場合、出力電圧が公称値からどれだけ逸脱するか、回復にかかる時間、または電圧が指定された規制限度外に低下するまでの時間がすべて重要になります。
条件が負荷と入力電圧に限定されるリップルやノイズとは異なり、過渡応答には測定に影響を与える可能性のある追加条件がいくつかあります。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。負荷の変化が速いほど、電源が変化する状況に追いつく前に出力が大きく変動するため、スルーレートは過渡応答に大きな影響を与えます。開始電流レベルと終了電流レベルも影響を与える可能性があります。電源装置は、軽負荷時には異なる動作をすることが多く、これらの領域間を横切る過渡現象が発生すると、単一の領域で過渡現象が発生した場合とは電源装置の動作が異なる場合があります。開始電流と終了電流、およびスルーレートによって、電流が変化する時間も決まり、指定された条件と一致する必要があります。
過渡応答測定を行うには、2つのスコープ チャネルが必要になります。最初のプローブは、出力ピンまたは調整ポイントに近い電源の出力に渡る必要があります。調整ポイントから離れた場所で出力電圧を測定すると、出力ケーブルの電圧降下によって2つの負荷状態間にDCオフセットが発生します。2番目のプローブは、過渡的な負荷の変化に同期した電流または信号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差が明確に確認できます。
出力電圧（上）と負荷（下）による過渡応答測定
結論
リップルと過渡現象は電源評価の一般的な部分です。これらの特性をオシロスコープで測定する場合、問題の信号の歪みを避けるためにプローブ ループ領域を最小限に抑えることが重要です。適切なプローブ測定技術に加えて、データシートでこれらの測定が指定されている条件も把握し、それに従って比較が有効になるようにする必要があります。
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