電源リップルとリップル係数
電源装置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、電源装置は必然的にリップルやノイズなどを発生させ、電子システム、さらには製品全体の安定性と信頼性を低下させます。
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、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では、次のような危険性があります。
望ましくない高調波が発生し、過電圧や過電流による事故を引き起こし、追加の損失が増加し、電気機器の効率と利用率が低下します。
機器の異常動作、老朽化の促進、寿命の短縮を引き起こします。リレー保護、自動装置、コンピュータシステム、その他の機器の異常動作や正常な動作不能を引き起こします。
測定機器や計測機器に偏差が生じたり、通信システムに干渉したり、信号伝送品質が低下したり、通信機器が損傷したりする可能性があります。
そのため、電子製品を設計する際には、リップルを正確に測定し、一定の範囲内にリップルを抑える必要があります。
1 電源リップルとリップル係数
厳密に言えば、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つの部分から構成されます。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、電圧安定化回路は、安定化電源の必要な3つの部分とみなされます[1]。
整流回路は、一方向の導電装置を使用して交流を脈動直流に変換します。脈動直流は滑らかではなく、大量の交流成分が含まれています。
フィルタ回路は、エネルギー貯蔵部品を使用して、脈動する DC 電力を比較的平坦な DC 電力に変換します。フィルタ回路の性能が異なるため、ほとんどの AC 成分をフィルタできますが、完全にフィルタすることはできません。
整流・フィルタリング後の電圧安定化回路は、回路の調整機能を利用して出力電圧を安定化し、AC成分を最小限に抑えます。安定した電圧出力とともに完全にフィルタリングできないこのAC成分をリップル電圧と呼びます。
DC安定化電源フィルタリングの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は、リップル電圧VrとDC出力電圧Voの実効値のパーセンテージ値として定義されます。
リップル係数は、DC電源の安定した純粋な出力を評価するための重要な指標です。上記の式によると、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 (DSO) の 2 つの計測器が必要です。
電子負荷は電流調整を容易にし、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、リップル値を保存、増幅、および読み取ることができます。オシロスコープの読み取り値を式に代入すると、リップル係数が得られます。
測定時には、次の 2 つの点に注意する必要があります (この 2 つの点は、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のアース線を外し、代わりにプローブアセンブリのアーススプリングピンを使用する必要があります。これにより、アースループがEMIノイズに結合して測定結果が不正確になるのを防ぐことができます。
プローブの接地線が長すぎてループ領域が大きすぎるため、受信アンテナが形成され、高周波の乱れや EMI ノイズが測定信号に結合されます。
（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る。
デジタル ストレージ オシロスコープは、電源側から追加されたノイズをさらに除去するために適切に接地する必要があります。デジタル ストレージ オシロスコープの AC 結合を使用して DC をブロックすると、リップル テストがより直感的で正確になります。
一般的なリップル テストでは周波数を 20 MHz 未満に制限する必要があるため、デジタル ストレージ オシロスコープでは 20 MHz の帯域幅制限を開いて高周波ノイズを分離する必要があります。
電源リップルを抑制する3つの方法
安定化電源の出力電圧のリップルを抑制するために、一般的には、RLC フィルタリング方式、コモンモード フィルタリング方式、フェライト磁気リング フィルタリング方式、およびこれら 3 つの方式の組み合わせの 4 つの方法が採用されています。
DC-DC電源の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した。検証実験では、Meanwell社製100W DC-DC電源、48V入力、5V出力、モデルSD-100C-5を選択しました。
デジタル ストレージ オシロスコープには、帯域幅 70MHz、サンプリング レート 1GSa/s、チャネルあたり 10M のストレージ深度を備えた GWINSTEK の GDS-1072B が選択されました。
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。
この計算によると、回路の電流は20Aです。図3は電源リップルテストの接続ブロック図を示しています。
電源リップル抑制効果をより直感的かつ明確にするために、まずは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。これにより、電源リップルは約85.6mVpp、実効値は48.2mVrmsであることがわかります。
