スイッチング電源の評価に必要な実験スキル【Part 1】入出力リップルとスイッチング・ノードの電圧を測定する

概要

DC/DCコンバータ製品を選択する際には、その性能を評価して検証を実施する必要があります。そのために不可欠なのが適切な評価を行うための実験スキルです。様々なソリューションの評価を担当する技術者は、正確な測定を行うためのテクニックを有していなければなりません。正確な測定を実施しなければ、何らかの判断を行うために必要な正確な情報が得られないからです。本稿では、スイッチング電源（SMPS：Switch-Mode Power Supply）の評価方法について説明します。特に、測定に使用するパッシブ・プローブの選択方法や、測定方法を最適化するための方策、SMPSの動作の診断に利用可能な信号波形の間接的な観測手段について詳しく解説します。また、電圧リップルやスイッチング波形など、データシートに記載されている一般的な特性を評価するための測定環境の例も示します。

はじめに

SMPSの評価を実施する際には、いくつもの重要なパラメータの値を測定する必要があります。また、そうした測定を行う上では数多くの事柄について十分に配慮しなければなりません。不適切な測定結果を基にすると、設計上の判断を誤ってしまう可能性があります。それを避けるには、正確な測定を実施しなければなりません。そのためには、適切な測定技術を習得することが極めて重要です。本稿では、このことを特に強調しておきます。

オシロスコープ用のプローブの基本

オシロスコープは、SMPSの性能を評価する際に利用可能な強力なツールです。但し、オシロスコープによって信号を正確に取得するためには相応の技術が必要になります。この測定技術の重要性を強く認識しておかなければなりません。最初に行うべきことは、オシロスコープ用のプローブとして最適なものを選択することです。実施する測定の内容に応じ、適切なプローブを選択する必要があります。

正確な信号測定を行うために有用で、なおかつ汎用性が高いものとしては、パッシブ・プローブが挙げられます。パッシブ・プローブにはアクティブ回路は含まれていません。また、外部電源を必要としません。パッシブ・プローブではなく、アクティブ・プローブを使用すれば、極めて敏感な回路に対して大きな影響を及ぼすことなく測定を実施できます。但し、アクティブ・プローブには複雑かつ高価であるという短所があります。以下では、10:1のパッシブ・プローブと1:1のパッシブ・プローブについて説明します。加えて、プローブの代わりに同軸ケーブルを使用する方法も紹介します。その上で、特定の測定に対して最適なプローブを選択するための指針を示します。

10:1のプローブ

現在、ほとんどのオシロスコープでは10:1のプローブが使用されています。つまり、同プローブは汎用的かつ標準的なものだと言えるでしょう。なお、10:1のプローブは「×10のプローブ」と表現されることもあります。10:1のプローブでは、測定の対象となる信号が10:1の減衰比で減衰します。つまり、信号の大きさが1/10になるということです。一般的なオシロスコープでは、この減衰比を前提として調整が行われます。その結果、オシロスコープのディスプレイには本来の電圧（減衰していない場合の値）が表示されます。ただ、オシロスコープ製品によっては表示方法が異なる可能性があります。そのため、各製品の仕様を確認することが肝要です。図1（a）に、10:1のプローブの外観を示しました。図1（b）に示したのは、オシロスコープに接続した場合に形成される回路の構成です。ご覧のように、プローブ内部のインピーダンスは非常に高い値に設定されています。そして、オシロスコープのインピーダンスと組み合わせた結果、電圧信号が1/10に減衰するようになっています。このような高いインピーダンスを使用することにより、オシロスコープに対する負荷を軽減します。また、10:1のプローブを使用する場合、数百Vもの高い電圧にも対応できます。加えて、10:1のプローブの帯域幅は通常、数百MHzに達します。例えば、Keysight Technologiesが提供する10:1のプローブ「N2873A」の場合、定格のDC電圧は400V、最高帯域幅は500MHzです¹。

プローブを選択する際には、周波数に対する電圧のディレーティング特性を確認する必要があります。図2に示すように、電圧のディレーティング特性は曲線で表されます。この曲線は、そのプローブによってある周波数の信号の測定を行う場合、最大で何Vの電圧に対応できるのかを表しています。周波数が高くなるにつれて、プローブが対応可能な最大電圧は低下します。なお、図2に例として示したのはN2873Aのディレーティング特性です。

図2. 周波数に対する電圧のディレーティング特性。N2873Aのデータシートから引用しました。

10:1のプローブの多くは補正用のネジ（トリマ）を備えています（図3）。その目的は、kHzのレベルの周波数範囲における測定精度を確保することです。このネジを使用して調整を行えば、C_t/(C_in + C_p) = 1MΩ/9MΩという式に基づいて、プローブの容量をオシロスコープの入力容量とマッチングさせることができます。それにより、測定する電圧は適切な周波数応答を示すようになります。つまり、オーバーシュートやアンダーシュートに伴う歪みを生じさせることなく、高速のエッジを適切に測定できるようになるということです。プローブについては、オシロスコープの異なる入力に接続するたびに補正用ネジを使用してキャリブレーションを実施する必要があります。その目的は、アナログ・フロント・エンドのわずかな違いに対応させることです。同じオシロスコープの別のチャンネルに切り替える場合にも、キャリブレーションを実施しなければなりません。キャリブレーションを実行する際には、オシロスコープが備える方形波発生器にプローブを接続します。それにより、図4に示すような波形が得られます。図4（a）のように、観測される電圧信号が、オーバーシュートや波形のなまりがほとんど見られない方形波になるまで補正用ネジによる調整を実施します。

図3. 10:1のプローブが備える補正用ネジ。ドライバを使用してプローブの補正量を調整します。

図4. キャリブレーションの実施中に取得した信号波形。（a）ではシャープな方形波が得られています。（b）では過剰な減衰が発生しています。（c）では減衰量が不足しています。

SMPSのスイッチング・ノードの電圧を測定する場合には、10:1のプローブが特に適しています。また、同プローブは入力電圧や出力電圧、周波数の高い信号の測定に使用することも可能です。10:1のプローブであれば、高い周波数と高い電圧に対応して測定を実施できます。

1:1のプローブ

もう1つの代表的なパッシブ・プローブが1:1のプローブ（×1のプローブ）です（図5）。このタイプのプローブは、減衰比が1:1になるように設計されています。つまり、電圧信号は減衰しません。1:1のプローブのインピーダンスは10:1のプローブと比べてはるかに低いので、ユーザがキャリブレーションを実施する必要はありません。オシロスコープ側でもスケールの調整は行われないので、画面の取得分解能は1mV/divといった細かい値になっています。

1:1のプローブが対応可能な電圧範囲は数十Vです。また、帯域幅の定格は数十MHzのレベルになります。図5に例として示したのは、Flukeの1:1のプローブ「PM9001」です。このプローブのインピーダンスは1kΩ未満、最大電圧は30V、帯域幅は15MHzです²。このような仕様であることから、1:1のプローブは低い電圧、低い周波数の信号の測定に適していることがわかります。SMPSの電圧を測定する場合、1:1のプローブはいくつかの条件が満たされる場合に限って使用すべきです。例えば、リップルの周波数が数MHzまでであるなら、同プローブによって入力電圧リップルや出力電圧リップルといった小さな信号を測定することができます。

同軸ケーブル

10:1のプローブも1:1のプローブも、同軸構造のケーブルを使ってオシロスコープに接続されます。同軸ケーブルの主な構成要素は、信号を伝送するための中心導体と、ケーブルと信号を電磁干渉（EMI）からシールドするための網目状の外部金属です。ここで図6をご覧ください。図6（b）に示す構成を採用すれば、同軸ケーブルそのものを電圧プローブとして使用することも可能です。但し、その場合には適切な終端を施す必要があります。通常、同軸ケーブルの特性インピーダンスは50Ωなので、オシロスコープの入力インピーダンスを50Ωに設定する必要があります。

オシロスコープの入力インピーダンスを50Ωに設定すると、対応可能な最大電圧が制限されます（通常は5V）。このような制限を設けることで、オシロスコープを過剰な負荷から保護することができます。同軸ケーブルで測定できる電圧の範囲は低い値に限定されます。ただ、非常に広い帯域幅に対応することが可能です。例えば、Pomona Electronicsは「2249-C-12」というBNCBNCケーブルを提供しています。その帯域幅は4GHzに達します。つまり、一般的なプローブと比べてはるかに広い帯域幅が得られます³。

SMPSの測定に同軸ケーブルを使用したい場合、プリント回路基板にも適切なコネクタを設ける必要があります。つまり、プリント回路基板を設計する際に、あらかじめコネクタを実装できるようにしておかなければなりません。あるいは、基板上にコネクタを追加できるだけのスペースを確保しておく必要があります。また、DC/DCコンバータ製品の評価を実施する際には、その製品に対応する評価用ボードを使用するケースが多いでしょう。その場合も、適切な同軸ケーブルを選択するために、ケーブルの太さやコネクタの種類について検討しなければなりません。

アナログ・デバイセズは、各μModule^®製品に対応する評価用ボードを提供しています。その多くは、10mm径のBNCコネクタを採用しています。メスのBNC-BNCコネクタは、信頼性の高い構造を採用しています。非常に丈夫なだけでなく入手が容易なので、オシロスコープによる測定に広く使用されています。通常、その種のコネクタを備える同軸ケーブルは、SMPSが動的な負荷回路に給電する際の出力電圧リップルを測定する場合に使用されます。それに対し、特に周波数の高い信号の測定には、SMB（Subminiature Version B）コネクタやU.FLコネクタがよく使われます。これらのコネクタのフットプリントは小さいので、スペースの面で制限のあるプリント回路基板にも適しています。

プローブを選択する際の指針

10:1のプローブは、高い電圧の測定や周波数の高い一部の信号の測定に適しています。一方、1:1のプローブは低い電圧、低い周波数の信号の測定に適しています。電圧が低く周波数の高い信号を測定する場合、同軸ケーブルが有力な選択肢になります。但し、その場合にはプリント回路基板上の被測定個所にコネクタを設ける必要があります。表1は、これら3種のプローブの特徴についてまとめたものです。

表1. 10:1のプローブ、1:1のプローブ、BNC同軸ケーブルの比較
	10:1のプローブ（N2873A）	1:1のプローブ（PM9001）	同軸ケーブル（2249-C-12）
電圧範囲	400V	30V	5V（オシロスコープによる制限）
帯域幅	500MHz	15MHz	4GHz
キャリブレーションは可能か	可	不可	不可
基板にコネクタは必要か	不要	不要	必要
推奨される用途	高周波、高電圧	低周波信号、小信号電圧	高周波信号、小電圧

電圧リップルの測定

出力電圧リップルの大きさは、SMPSの重要な仕様です。様々な設計の比較に使用される重要なパラメータだと言えます。数十mV以下のリップルを測定する場合、その結果にはボード上の測定個所や測定方法の影響が及ぶ可能性があります。電圧が5V未満で評価用ボードに適切なコネクタが実装されていれば、同軸ケーブルを使用して入力リップルや出力リップルを測定することができます。もちろん、そのような条件が満たせないケースもあるでしょう。そうした場合、10:1のプローブも1:1のプローブもリップルの測定に適した選択肢になり得ます。但し、それらのプローブが備える標準のグラウンド・クリップを使用すると、長い測定ループが形成されます。それにより、プローブのインピーダンスが増加して測定精度が低下します。したがって、グラウンド・クリップの代わりにピグテール・リードを使用する方法が推奨されます。その場合、図7に示すように、プローブ・チップとグラウンド・リングにピグテール・リードをしっかりと接触させることが肝要です。ここで図8をご覧ください。これは、標準的なグラウンド・クリップを使用した場合とピグテール・リードを使用した場合の結果を比較したものです。ピグテールは、標準的なバス・ワイヤをしっかりとコイル状に巻くことで製作できます。但し、プローブ自体に巻きつける方法でピグテールを製作すると、プローブが損傷してしまう可能性があります。その点には注意してください。

図8. 出力電圧リップルの測定結果。（a）は通常のグラウンド・クリップを使用した場合の結果です。（b）はピグテールを使用して測定した場合の結果です。

通常、出力電圧リップルはDC/DCコンバータの出力電圧を検出するポイントで測定します。μModule製品の評価用ボードの場合、SMPSの出力の直下に当たる、ボード裏面のセラミック・コンデンサを測定個所として使用します。そうすれば、最適化された最小のリップルを観測できます。セラミック・コンデンサを測定個所にすることで、同コンデンサの等価直列抵抗（ESR:Equivalent Series Resistance）によるリップルは、バルク・コンデンサの両端で測定する場合よりも小さくなります。また、DC/DCコンバータとは反対側の基板の裏面で測定する場合、ボード自体がEMIノイズからのシールドとして機能することになります。場合によっては、負荷への給電個所など、DC/DCコンバータから離れた位置で出力電圧リップルを観測したいケースもあるかもしれません。但し、そこで測定される出力電圧リップルの形状は、DC/DCコンバータのすぐ横で測定した結果とは異なるものになります。なぜなら、基板の寄生効果やその測定個所の容量の影響が加わることになるからです。

入力電圧リップルは、DC/DCコンバータに最も近い入力コンデンサの両端で測定するべきです。そうすれば、DC/DCコンバータから見た入力電圧を直接測定することになります。上述したのと同じ理由から、この測定ではプローブとピグテールを使用するべきです。

スイッチング・ノードの信号波形の測定

SMPSの評価を実施する場合、スイッチング・ノードの信号波形を観測することには非常に重要な意味があります。しかし、測定方法が適切なものでなければ、正確な信号波形は得られません。最もよく起きる問題は、見かけ上、リンギングが発生しているような状態になるというものです。それにより、デバッグの作業が妨げられる可能性があります。このような問題を防ぐためには、短いピグテール・リードを使用してプローブをグラウンドに接続してください。とはいえ、スイッチング・ノードのすぐ横には簡単に利用できるグラウンドが存在しないケースが多いはずです。その場合、スイッチング・ノードのすぐ横のグラウンド・プレーンからハンダ・マスクを少し削り取ります。それによって露出したグラウンドにピグテールを取り付けて測定を実施してください。なお、この作業を行う場合には、スイッチング・ノードをグラウンドに短絡させないよう十分に注意しなければなりません。図9に、スイッチング・ノードの信号波形を取得した例を示しました。図9（a）はプローブの標準的なグラウンド・リードを使用した場合の結果です。一方、図9（b）はピグテール・リードを使用した場合の結果です。

図9. スイッチング・ノードの信号波形を取得した結果。（a）はプローブの標準的なグラウンド・リードを使用した場合の結果です。（b）はピグテール・リードを使用した場合の結果です。

アナログ・デバイセズは2Aを供給可能なシングルチャンネルの降圧コンバータ「LTM8050」を提供しています。同ICに代表される一部のμModule製品では、ソリューションの面積を削減するために、スイッチング・ノードがパッケージ内に収められています。そのため、同ノードに直接アクセスすることはできません。この種の製品でスイッチング・ノードの信号波形を確認するにはどうすればよいのでしょうか。1つの方法は、図10に示したように、μModuleのパッケージの上にプローブを浮かせた状態で配置するというものです。それにより、スイッチング・ノードの信号波形の形状を確認することができます。つまり、カップリングを利用して波形の形状を取得するということです。この方法を使用すれば、スイッチング周波数とサイクル間の安定性を確認することができます。但し、この方法では、電圧の振幅を正確に測定することはできません。

図10. パッケージの外部で信号を観測する方法。パッケージの上にプローブを浮かせ、カップリングを利用することで信号を観測します。この例では、μModuleのパッケージの外部でスイッチング・ノードの信号波形を取得しています。

通常、スイッチング・ノードの電圧を測定するために最適なのは10:1のプローブです。一般に、同ノードの信号の周波数は1:1のプローブで測定できる周波数よりも高く、同プローブで測定できる電圧よりも振幅が大きいからです。

まとめ

アプリケーションの中には、昇圧を実現する電源や大きな降圧を実現する電源を必要とするものがあります。そのような場合、SMPSが使われるケースがほとんどでしょう。多くの場合、SMPSを使用すれば、ノイズ性能、効率、ソリューションのサイズの最適な組み合わせを実現できるからです。SMPSの回路を設計する際には、多くの判断を行わなければなりません。それらの判断を正しく行うためには正確な情報が必要です。つまり、正しい判断／選択を実施できるようにするためには、重要なパラメータの値を正確に測定する必要があります。