デジタルオシロスコープによるスイッチング電源の測定方法
電源には、従来のアナログ電源から高効率スイッチング電源まで、さまざまな種類とサイズがあります。 彼らは皆、複雑かつダイナミックな作業環境に直面しなければなりません。 機器の負荷と需要は瞬時に劇的に変化する可能性があります。 「日常的な」スイッチング電源であっても、平均動作レベルをはるかに超える瞬間的なピークに耐えることができます。 電源、またはシステムで使用される電源を設計するエンジニアは、電源が静的条件下および最悪の条件下でどのように動作するかを理解する必要があります。
以前は、電源の動作を特性評価するには、デジタル マルチメータで静止電流と電圧を測定し、計算機または PC で骨の折れる計算を実行する必要がありました。 現在、ほとんどのエンジニアは、優先する電力測定プラットフォームとしてオシロスコープを利用しています。 最新のオシロスコープには、統合された電力測定および分析ソフトウェアが装備されているため、セットアップが簡素化され、動的測定が容易になります。 ユーザーは主要なパラメータをカスタマイズし、計算を自動化し、生データだけでなく数秒で結果を確認できます。
電源設計の問題とその測定ニーズ
理想的には、すべての電源は、設計された数学モデルのように動作する必要があります。 しかし現実の世界では、コンポーネントに欠陥があり、負荷が変動し、電源が歪み、環境の変化によってパフォーマンスが変化する可能性があります。 また、性能とコスト要件の変化により、電源設計が複雑になります。 次の質問について考えてみましょう。
電源は定格電力を超えて何ワットまで耐えることができますか? どれくらい持続できますか? 電源はどれくらいの熱を放散しますか? 過熱するとどうなりますか? どれくらいの冷却風量が必要ですか? 負荷電流が大幅に増加するとどうなりますか? 機器は定格出力電圧を維持できますか? 電源は出力の完全なショートにどのように対処しますか? 電源の入力電圧が変化するとどうなりますか?
設計者は、占有スペースを減らし、熱を減らし、製造コストを削減し、より厳格な EMI/EMC 規格を満たす電源を開発する必要があります。 エンジニアがこれらの目標を達成できるのは、厳密な測定システムだけです。
オシロスコープと電力測定
オシロスコープで高帯域幅の測定を行うことに慣れている人にとって、電源の測定は周波数が比較的低いため簡単に行うことができます。 実際、電力測定には、高速回路の設計者が決して直面する必要のない課題が数多くあります。
開閉装置全体が高電圧で「フローティング」、つまりアースに接続されていない可能性があります。 信号のパルス幅、周期、周波数、デューティ サイクルは変化する可能性があります。 波形の異常を検出するには、波形を忠実にキャプチャして分析する必要があります。 これはオシロスコープにとって要求が厳しいものです。 複数のプローブ - シングルエンド、差動、および電流プローブが同時に必要です。 長期間の低周波取得結果を記録するスペースを提供するには、機器には大容量のメモリが必要です。 また、1 回の収集で大きく異なる振幅を持つさまざまな信号をキャプチャすることが必要になる場合があります。
スイッチング電源の基本
最新のシステムのほとんどの DC 電源アーキテクチャはスイッチング電源 (スイッチング電源) であり、さまざまな負荷を効率的に処理できることで知られています。 一般的なスイッチング電源の電力信号パスには、受動部品、能動部品、磁気部品が含まれます。 スイッチング電源では、損失の多い部品 (抵抗やリニア トランジスタなど) をできる限り少なくし、ほとんど (理想的には) 損失のない部品 (スイッチング トランジスタ、コンデンサ、磁気部品) を使用します。
また、スイッチング電源装置は、パルス幅変調レギュレータ、パルス周波数変調レギュレータ、フィードバックループ１等を含む制御部を備えている。 制御部は独自の電源を備えていてもよい。 図 1 は、スイッチング電源の簡略化した回路図であり、能動デバイス、受動デバイス、磁気コンポーネントを含む電力変換セクションを示しています。
スイッチング電源技術では、金属酸化膜電界効果トランジスタ (MOSFET) や絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) などのパワー半導体スイッチング デバイスが使用されます。 これらのデバイスはスイッチング時間が短く、不安定な電圧スパイクに耐えることができます。 同様に重要なのは、オン状態とオフ状態の両方で消費電力が非常に少なく、効率が高く、発熱が少ないことです。 スイッチング電源の全体的な性能は、スイッチング デバイスによって大きく決まります。 スイッチング デバイスの主な測定には、スイッチング損失、平均電力損失、安全動作領域などが含まれます。
