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
従来のアナログ電源から効率的なスイッチング電源まで、電源の種類とサイズは大きく異なります。 彼らは皆、複雑でダイナミックな作業環境に直面しています。 機器の負荷と需要は瞬時に大幅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なければなりません。 電源または電源を使用するシステムを設計するエンジニアは、静的条件および最悪の条件下での電源の動作条件を理解する必要があります。
以前は、電源の動作特性を記述するには、デジタル マルチメータを使用して静電流と電圧を測定し、電卓または PC を使用して困難な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搭載されているため、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、単なる生データではなく、主要なパラメータをカスタマイズし、自動的に計算し、数秒以内に結果を確認できます。
電源設計の問題と測定要件
理想的には、各電源は、その電源用に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、負荷が変化し、電源が歪み、環境の変化によって性能が変化する可能性があります。 さらに、性能とコストの要件が常に変化するため、電源設計もより複雑になります。 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の電力を維持できますか? どれくらい持続できますか? 電源はどれくらいの熱を放出しますか? 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? デバイスは定格出力電圧を維持できますか? 出力端での完全な短絡に対して電源はどのように反応しますか? 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源測定
高帯域幅測定にオシロスコープを使用することに慣れている人にとって、電力測定は周波数が比較的低いため簡単かもしれません。 実際、高速回路設計者が電力測定において決して直面する必要のない課題も数多くあります。
開閉装置全体の電圧が高く、浮遊している可能性があります。これは、開閉装置が接地されていないことを意味します。 信号のパルス幅、周期、周波数、デューティ サイクルはすべて異なります。 波形を忠実に捉えて解析し、波形の異常を検出する必要があります。 オシロスコープの要件は厳しいものです。 複数のプローブ - シングルエンド プローブ、差動プローブ、および電流プローブを同時に必要とします。 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 回の取得で振幅が大幅に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
最新のシステムの主流の DC 電源アーキテクチャはスイッチング電源 (SMPS) であり、負荷の変化に効果的に対処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信号経路には、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、抵抗やリニア トランジスタなどの損失の多いコンポーネントの使用を最小限に抑え、スイッチング トランジスタ、コンデンサ、磁気コンポーネントなどの (理想的には) 損失のないコンポーネントを主に使用する必要があります。
スイッチング電源装置はまた、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などの構成要素を含む制御部を有する。制御部は、独自の電源を有してもよい。 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部分を示しています。
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、開いた状態でも閉じた状態でもエネルギー消費が非常に少なく、高効率で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、安全作業領域などが含まれます。
