リップル率と電源
電源の主な機能は、電子製品に電気エネルギーを供給することですが、電源供給中にリップルやノイズなどが必然的に発生し、電子システム、さらには製品全体の安定性と信頼性が低下します。
電圧リップルは、A/D 変換回路、オペアンプ回路、整流フィルタ回路などの電源のさまざまな回路に大きな影響を与える可能性があります。一般的なアプリケーションには次の危険があります。
予期せぬ高調波が発生し、過電圧や過電流による事故の原因となります。 追加の損失が増加し、電気機器の効率と使用率が低下します。
機器の異常動作を引き起こし、老朽化を促進し、寿命を縮める。 リレー保護、自動装置、コンピュータシステム、その他の機器が異常に動作したり、正常に動作しなくなる。
測定器と計測器をずらしてしまう。 通信システムに干渉し、信号伝送品質を低下させ、さらには通信機器に損傷を与える可能性があります。
したがって、電子製品を設計する際には、リップルを正確に測定し、リップルを一定の範囲内に抑える必要があります。
1 電源リップルとリップル率
厳密に言うと、安定化電源は電源トランス、整流回路、フィルタ回路、電圧安定化回路の4つの部分で構成されます。 DC-DC も安定化電源とみなすことができるため、整流回路、フィルタ回路、安定化電圧回路の 3 つの部分が安定化電源に必要な部品と見なされます [1]。
整流回路は一方向導電性デバイスを使用して交流を脈動直流に変換します。 脈動する直流電流は滑らかではなく、多量の交流電流を含んでいます。
フィルター回路はエネルギー蓄積素子を使用して、脈動する直流を比較的平坦な直流に変換します。 フィルタ回路の性能が異なるため、ほとんどの交流成分を除去できますが、完全に除去することはできません。
整流とフィルタ後の電圧安定化回路は、回路の調整機能を使用して出力電圧を安定化し、AC成分を最小限に抑えます。 安定した電圧出力では完全に除去できないこの AC 成分をリップル電圧と呼びます。
DC安定化電源のフィルタ性能を特徴付けるために、リップル係数の概念が導入されています[2-3]。 リップル係数 ψ をリップル電圧実効値 Vr と DC 出力電圧 Vo のパーセント値として定義します。つまり、次のようになります。
リップル係数は直流電源の安定した純度の高い出力を評価する重要な指標です。 上式によれば、リップル係数を求めるにはリップル電圧を測定する必要があることがわかります。
2 電源リップルの測定
電源リップルを正確に測定するには、通常、電子負荷 (Electronic Load) とデジタル ストレージ オシロスコープ (デジタル ストレージ オシロスコープ、DSO) という 2 つの機器が必要です。
電子負荷は電流を調整するのに便利で、通常は定抵抗モード（CR）に設定されます。 デジタルストレージオシロスコープは、リップル波形全体を直接キャプチャし、保存して増幅し、リップル値を読み取ることができます。 オシロスコープの測定値を式に代入してリップル係数を求めます。
測定時には次の 2 点に注意する必要があります (この 2 点は測定結果の精度にとって特に重要です)。
(1) デジタル ストレージ オシロスコープのプローブ アース線を取り外し、プローブ アセンブリのアース スプリング ピンと交換する必要があります。 グランドループが EMI ノイズに結合するのを防ぎ、測定結果が不正確になる可能性があります。
プローブのアース線が長すぎてループ領域が大きすぎると、受信アンテナが形成され、高周波クラッターまたは EMI ノイズが測定信号に結合します。
(2) デジタルストレージオシロスコープ自体の設定を調整する必要があります。
デジタル ストレージ オシロスコープは、電源から追加されるクラッターをさらに除去するために、適切な接地が必要です。 デジタルストレージオシロスコープのACカップリングを使用してDCをブロックし、リップルテストをより直観的かつ正確に行うことができます。
一般的なリップル テストでは、周波数を 20MHz 未満に制限する必要があるため、デジタル ストレージ オシロスコープは、高周波ノイズを分離するために 20MHz の帯域幅制限を開く必要があります。
電源リップルを抑える3つの方法
安定化電源の出力電圧のリップルを抑える方法としては、RLCフィルタ方式、コモンモードフィルタ方式、フェライト磁気リングフィルタ方式、およびそれらを組み合わせた4つの方式が一般的に採用されています。
DC-DC電源リップルを抑制するフィルタ回路を実験検証により実証します。 検証実験では、入力 48V、出力 5V の 100W DC-DC 電源を選択し、モデルは Meanwell の SD-100C-5 です。
デジタル ストレージ オシロスコープは GWINSTEK の GDS-1072B を選択し、帯域幅は 70MHz、サンプリング レートは 1GSa/s、各チャネルのストレージ深さは 10M です。
電子負荷はGWINSTEKのPEL{{0}}で、電圧範囲は1.5V〜150V、電流範囲は0〜35A、電力は175Wです。
この計算によれば、回路内の電流は 20A となります。 図3に電源リップル試験の接続ブロック図を示します。
電源リップルの抑制効果をより直感的かつ明確にするために、まず SD-100C-5 のフィルタ回路を短絡し、その出力電圧のリップルを測定します。 電源リップルはおよそ 85.6mVpp、実効値は 48.2mVrms であることがわかります。
