デジタルオシロスコープ測定スイッチング電源
電源には、従来のアナログ型電源から高効率スイッチング電源まで、さまざまなタイプとサイズがあります。それらはすべて、複雑で動的な動作環境に直面しています。機器の負荷と要件は、一瞬で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さえ、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必要があります。電源を使用する静的な条件だけでなく、最悪の条件下でも電源がどのように動作するかを理解する必要があります。
これまで、電源の動作特性を調べるには、静止電流と電圧をデジタルで測定する必要がありました。マルチメーター計算機や PC で面倒な計算を実行する必要もなくなりました。今日、ほとんどのエンジニアは、電力測定プラットフォームとしてオシロスコープを使用しています。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を搭載できるため、セットアップが簡素化され、動的な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結果を数秒で確認できます。
電源設計の問題とその測定の必要性
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はずです。しかし現実の世界では、コンポーネント欠陥があったり、負荷が変化したり、電源が歪んだり、環境の変化によってパフォーマンスが変わったりすることがあります。また、パフォーマンスとコスト要件の変化によって電源設計が複雑になります。次の問題を考慮してください。
電源装置は定格電力を超えて何ワットまで耐えられますか? どのくらい持続しますか? 電源装置はどのくらいの熱を放出しますか? 過熱するとどうなりますか? どのくらいの冷却空気流が必要ですか? 負荷電流が急激に増加した場合はどうなるでしょうか? ユニットは定格出力電圧を維持できますか? 出力での完全な短絡に電源装置はどのように対処しますか? 電源装置への入力電圧が変化するとどうなりますか?
設計者は、占有スペースが少なく、発熱が少なく、製造コストを削減し、より厳しい 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するには、厳格な測定システムが必要です。
オシロスコープと電力測定
オシロスコープを使用した高帯域幅の測定に慣れている人にとっては、電源測定は比較的低い周波数のため簡単かもしれません。しかし実際には、高速回路設計者が直面することのない電力測定の課題は数多くあります。
スイッチングデバイスにかかる電圧は高く「浮遊」している可能性があり、つまり接地された信号のパルス幅、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。異常を検出するには、波形を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厳しい要件です。複数のプローブ - シングルエンド プローブ、差動プローブ、電流プローブも必要です。楽器長時間の低周波の取得結果を記録するためのスペースを確保するために、大容量のメモリが必要です。また、1 回の取得で振幅が大きく異なるさまざまな信号をキャプチャする必要がある場合があります。
スイッチング電源の基礎
現代のほとんどのシステムで主流となっているDC電源アーキテクチャはスイッチング電源（スイッチングモード電源）であり、変化する負荷に効率的に対応できることでよく知られています。一般的なスイッチング電源の電気エネルギー信号パスには、受動デバイス、能動デバイス、磁気コンポーネントが含まれます。スイッチング電源では、損失の少ないコンポーネント（例：抵抗器および線形トランジスタ）を使用し、主に（理想的には）損失のないコンポーネントを使用します：スイッチングトランジスタ、コンデンサ、および磁気コンポーネント。
スイッチング電源装置には、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 ループなどのコンポーネントを含む制御部も備わっています。制御部には独自の電源が備わっている場合があります。図 1 は、アクティブ コンポーネントとパッシブ コンポーネント、および磁気コンポーネントを含む電気エネルギー変換セクションを示すスイッチング電源の簡略化された回路図です。
スイッチング電源技術では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）を備えた金属酸化物電界効果トランジスタ（MOSFET）などのパワー半導体スイッチングデバイスを使用します。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、オンまたはオフのどちらの状態でもエネルギー消費が非常に少ないため、効率が高く、発熱が少ないことです。スイッチングデバイスは、スイッチング電源の全体的なパフォーマンスを大きく左右します。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、平均電力損失などがあります。安全営業エリアなど。
