スイッチング電源のリップルは避けられません。私たちの究極の目標は、出力リップルを許容可能なレベルまで低減することです。この目的を達成するための最も根本的な解決策は、リップルの発生を回避することです。まず、その原因について考えてみましょう。
SWITCHのスイッチングに伴い、インダクタンスLの電流も出力電流の有効値で上下に変動します。そのため、出力端にはスイッチと同じ周波数のリップルが発生します。一般的に、リップルとは出力コンデンサの容量とESRに関係するこのリップルを指します。このリップルの周波数はスイッチング電源と同じで、数十kHzから数百kHzの範囲です。
また、スイッチは一般的にバイポーラトランジスタまたはMOSFETを使用します。どちらであっても、オンとオフの際には立ち上がり時間と立ち下がり時間が発生します。このとき、回路にはスイッチの立ち上がり時間と立ち下がり時間と同じか数倍のノイズが発生し、一般的に数十MHzです。同様に、ダイオードDは逆回復状態にあります。等価回路は抵抗、コンデンサ、インダクタの直列接続であり、共振を引き起こし、ノイズ周波数は数十MHzです。これらの2つのノイズは一般に高周波ノイズと呼ばれ、振幅は通常、リップルよりもはるかに大きくなります。
AC/DCコンバータの場合、上記の2つのリップル（ノイズ）に加えて、ACノイズも発生します。周波数は入力AC電源の周波数で、約50～60Hzです。また、多くのスイッチング電源のパワーデバイスはシェルを放熱器として利用し、等価容量を生成するため、コモードノイズも発生します。
スイッチング電源リップルの測定
基本要件:
オシロスコープのACとの結合
20MHzの帯域幅制限
プローブのアース線を抜く
1.AC結合は重畳されたDC電圧を除去し、正確な波形を得るためのものです。
2. 20MHzの帯域幅制限を開放するのは、高周波ノイズの干渉を防ぎ、誤差を防止するためです。高周波成分の振幅が大きいため、測定時には除去する必要があります。
3. オシロスコーププローブのグランドクリップを外し、グランド測定を使用して干渉を低減します。多くの部署ではグランドリングが設置されていませんが、適格かどうかを判断する際にはこの点を考慮してください。
もう一つのポイントは、50Ω端子を使用することです。オシロスコープの情報によると、50ΩモジュールはDC成分を除去し、AC成分を正確に測定するためのものです。しかし、このような特殊なプローブを備えたオシロスコープは少なく、多くの場合、100kΩから10MΩのプローブが使用されるため、一時的に不明確になります。
上記はスイッチングリップルを測定する際の基本的な注意事項です。オシロスコープのプローブが出力点に直接接続されていない場合は、ツイストラインまたは50Ω同軸ケーブルで測定する必要があります。
高周波ノイズを測定する場合、オシロスコープの全帯域は通常、数百メガからGHzレベルまでです。その他は上記と同様です。各社によってテスト方法が異なる場合があります。最終的には、テスト結果を把握しておく必要があります。
オシロスコープについて:
一部のデジタルオシロスコープは、干渉や保存深度の影響でリップルを正しく測定できません。このような場合は、オシロスコープを交換する必要があります。古いシミュレーションオシロスコープの帯域幅は数十メガバイトしかないにもかかわらず、デジタルオシロスコープよりも性能が優れている場合もあります。
スイッチング電源リップルの抑制
スイッチングリップルは理論的にも実際的にも存在します。これを抑制または軽減するには、以下の3つの方法があります。
1. インダクタンスと出力コンデンサのフィルタリングを増やす
スイッチング電源の公式によれば、電流変動の大きさと誘導性インダクタンスのインダクタンス値は反比例し、出力リップルと出力コンデンサも反比例します。したがって、電気容量と出力コンデンサを増やすことでリップルを低減できます。
上の図はスイッチング電源のインダクタLの電流波形です。そのリップル電流△iは次の式で計算できます。
L 値を大きくするか、スイッチング周波数を上げると、インダクタンスの電流変動が低減できることがわかります。
同様に、出力リップルと出力コンデンサの関係は、VRIPPLE = IMAX/(CO × F)となります。出力コンデンサの値を大きくするとリップルを低減できることがわかります。
大容量化を実現するために、出力コンデンサにはアルミ電解コンデンサを使用するのが一般的です。しかし、電解コンデンサは高周波ノイズの抑制効果があまり強くなく、ESRも比較的大きいため、アルミ電解コンデンサの不足を補うために、セラミックコンデンサを隣に接続します。
同時に、電源が動作しているとき、入力端子の電圧VINは変化しませんが、スイッチに応じて電流が変化します。このとき、入力電源は電流を十分に供給できず、通常は電流入力端子の近く（降圧型を例にとるとスイッチの近く）にコンデンサを接続して電流を供給します。
この対策を適用した後の降圧スイッチ電源は次の図のようになります。
上記のアプローチはリップル低減に限界があります。体積制限のため、インダクタンスはそれほど大きくできません。出力コンデンサはある程度増加しますが、リップル低減への明確な効果はありません。また、スイッチング周波数を上げるとスイッチ損失が増加します。そのため、要求が厳しい場合、この方法は適していません。
スイッチング電源の原理については、各種スイッチング電源設計マニュアルを参照してください。
2. 2段階フィルタリングは、第1段階のLCフィルタを追加することである。
LCフィルタによるノイズリップルの抑制効果は比較的明らかです。除去したいリップル周波数に応じて、適切なインダクタンスとコンデンサを選択してフィルタ回路を構成します。一般的に、LCフィルタはリップルを効果的に低減できます。ただし、フィードバック電圧のサンプリングポイントを考慮する必要があります（下図参照）。
LCフィルタ（PA）の前でサンプリングポイントが選択され、出力電圧が低下します。インダクタンスは直流抵抗を持つため、電流出力時にはインダクタンスで電圧降下が発生し、電源の出力電圧が低下します。この電圧降下は出力電流に応じて変化します。
出力電圧が所望の電圧になるように、LCフィルタ（PB）の後にサンプリングポイントが選択されます。ただし、電力システム内にインダクタンスとコンデンサが導入されるため、システムの不安定性を引き起こす可能性があります。
3.スイッチング電源の出力後にLDOフィルタを接続する
これはリップルとノイズを低減する最も効果的な方法です。出力電圧は一定で、元のフィードバックシステムを変更する必要はありませんが、コスト効率が最も高く、消費電力も最も高くなります。
どのLDOにも、ノイズ抑制比という指標があります。これは周波数-DB曲線で、下の図はLT3024の曲線です。
LDO後のスイッチングリップルは通常10mV未満です。次の図は、LDO前後のリップルの比較です。
上図の曲線と左の波形を比較すると、数百KHzのスイッチングリップルに対してLDOの抑制効果が非常に優れていることがわかります。しかし、高周波数範囲では、LDOの効果はそれほど理想的ではありません。
リップルを低減します。スイッチング電源のPCB配線も重要です。高周波ノイズについては、高周波の周波数が高いため、後段フィルタリングは一定の効果を発揮しますが、その効果は明らかではありません。この点については特別な研究が行われています。簡単な方法は、ダイオードと容量CまたはRCを接続するか、インダクタンスを直列に接続することです。
上図は実際のダイオードの等価回路です。ダイオードが高速動作する場合、寄生パラメータを考慮する必要があります。ダイオードの逆回復過程において、等価インダクタンスと等価容量がRC発振器となり、高周波振動が発生します。この高周波振動を抑制するために、ダイオードの両端に容量CまたはRCバッファ回路を接続する必要があります。抵抗は通常10Ω～100Ω、容量は4.7PF～2.2NFです。
ダイオードCまたはRCの容量CまたはRCは、繰り返しテストを行うことで決定できます。適切に選択しないと、より深刻な発振が発生します。
投稿日時: 2023年7月8日
