デジタルオシロスコープでスイッチング電源の電力損失を測定する方法
SMPS (スイッチ モード電源) の新しいアーキテクチャは、データ速度が速く、GHz クラスのプロセッサに高電流と低電圧を供給する必要があり、効率、電力密度、信頼性、コストの面で、電源デバイスの設計者に目に見えない新しいプレッシャーを加えています。設計時にこれらの要件を考慮するために、設計者は同期整流技術、アクティブ電力フィルタ補正、スイッチング周波数の増加などの新しいアーキテクチャを採用しています。これらの技術は、スイッチング デバイスでの高電力損失、熱放散、過度の EMI/EMC など、いくつかの大きな課題ももたらします。
「オフ」（オン）状態から「オン」（オフ）状態への移行中、電源装置の消費電力は高くなります。（ただし、「オン」または「オフ」状態のスイッチング装置の電力損失は、装置を流れる電流または装置にかかる電圧が非常に小さいため、少なくなります）。インダクタとトランスは、出力電圧を分離し、負荷電流を平滑化できます。インダクタとトランスはスイッチング周波数の影響を受けやすく、電力消費や飽和による偶発的な障害が発生します。
スイッチング電源装置で消費される電力は、電源装置の熱効果の全体的な効率を決定するため、スイッチング装置とインダクタ/トランスの電力損失を測定することは非常に重要です。この測定により、電力効率と熱放散を判断できます。
電力損失の測定と分析
1. 電力損失測定に必要な試験装置
スイッチ変換の簡略化された回路。MOSFET電界効果パワートランジスタは、40kHzクロックの励起下で電流を制御します。MOSFETはACフィーダーグランドまたは回路出力グランドに接続されていません。つまり、グランドから分離されています。したがって、プローブの接地線がMOSFETの任意の端子に接続されている場合、そのポイントはオシロスコープを介してグランドと短絡されるため、オシロスコープで接地基準電圧を単純に測定することはできません。
この場合、差動測定は M0SFET の電圧波形を測定するのに適した方法です。差動測定により、VDS、つまり MOSFET のドレイン端子とソース端子の電圧を測定できます。VDS は電圧を超えて浮動することがあり、電圧範囲は電源装置の電圧範囲に応じて数十ボルトから数百ボルトになることがあります。VDS はいくつかの方法で測定できます。
サスペンション オシロスコープのシャーシ アース線。ユーザー、テスト対象デバイス、オシロスコープに非常に有害であるため、使用しないことをお勧めします。
従来のシングルエンドパッシブプローブ2本を使用して接地線を接続し、オシロスコープのチャンネル計算機能を使用して測定します。この測定方法は、擬似差動測定と呼ばれます。ただし、パッシブプローブはオシロスコープのアンプと組み合わせて使用できますが、コモンモード電圧を適切にブロックできる「コモンモード除去比」（CMRR）機能がありません。この設定では電圧を正確に測定することはできませんが、既存のプローブを使用できます。
店頭で入手できるプローブ アイソレータを使用して、オシロスコープのシャーシをグランドから分離します。プローブの接地線はもはや主な接地電位ではなくなり、プローブをテスト ポイントに直接接続できます。プローブ アイソレータは効果的なソリューションですが、高価であり、そのコストは差動プローブの 2 ～ 5 倍です。
広帯域オシロスコープで実際の差動プローブを使用します。差動プローブで VDS を測定することもできますが、これも優れた方法です。
MOSFET を流れる電流を測定するときは、まず電流プローブをクランプし、次に測定システムを微調整します。多くの差動プローブには、DC オフセット トリミング コンデンサが内蔵されています。テスト対象の機器の電源をオフにし、オシロスコープとプローブが完全に温まったら、オシロスコープで測定した電圧と電流の波形の平均値を設定できます。感度設定は、実際の測定で使用する値を使用する必要があります。信号がない場合、トリミング コンデンサを調整して、各波形のゼロ平均を 0 V に調整します。この手順により、測定システム内の静的な電圧と電流によって発生する測定誤差を大幅に削減できます。
