スイッチング電源リップルは避けられません。私たちの最終的な目的は、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、波紋の発生を避けることです。まずはその原因。
SWITCH のスイッチにより、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。したがって、出力端にはスイッチと同じ周波数のリップルも発生します。一般にリバースのリップルとはこれを指し、出力コンデンサの容量とESRが関係します。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～数百kHzの範囲です。
また、Switch では一般的にバイポーラ トランジスタまたは MOSFET が使用されます。どちらであっても、オン時とデッド時には立ち上がりと立ち下がり時間が発生します。このとき回路内にはスイッチの立ち上がり時間と同じか数倍程度のノイズは発生しませんが、通常は数十MHz程度です。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とインダクタの直列であり、これにより共振が発生し、ノイズ周波数は数十MHzになります。これら 2 つのノイズは一般に高周波ノイズと呼ばれ、その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2つのリップル（ノイズ）に加えて、ACノイズも存在します。周波数は入力AC電源の周波数で、約50～60Hzです。多くのスイッチング電源のパワーデバイスはシェルをラジエーターとして使用し、等価静電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
基本的な要件:
オシロスコープACとの結合
20MHzの帯域幅制限
プローブのアース線を抜きます
1.ACカップリングとは、重畳したDC電圧を除去し、正確な波形を得る事です。
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、エラーを防ぐためです。高周波成分の振幅が大きいため、測定の際は取り除いてください。
3. オシロスコープのプローブのグランド クリップを取り外し、グランド測定を使用して干渉を軽減します。多くの部門には接地リングがありません。ただし、資格があるかどうかを判断する際には、この要素を考慮してください。
もう一つのポイントは50Ω端子を使うことです。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ほとんどありません。ほとんどの場合、100kΩ ～ 10MΩ のプローブが使用されますが、これは一時的に不明です。
以上がスイッチングリップル測定時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露出していない場合は、ツイスト線または 50Ω 同軸ケーブルを使用して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一般に数百メガからGHzレベルです。その他は上記と同様です。おそらく、企業が異なればテスト方法も異なります。最終的には、テスト結果を知る必要があります。
オシロスコープについて:
一部のデジタル オシロスコープでは、干渉や記憶深さによりリップルを正しく測定できません。この時点で、オシロスコープを交換する必要があります。場合によっては、古いシミュレーション オシロスコープの帯域幅が数十メガしかないにもかかわらず、パフォーマンスがデジタル オシロスコープよりも優れていることがあります。
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については、理論的にも実際にも存在します。これを抑制または軽減するには、次の 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加します。
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、電気コンデンサと出力コンデンサを増やすとリップルを低減できます。
上図はスイッチング電源のインダクタLに流れる電流波形です。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高くすることで、インダクタンスの電流変動が小さくな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増やすとリップルを低減できることがわかります。
大容量化を図るため、出力容量にはアルミ電解コンデンサを使用するのが一般的です。ただし、電解コンデンサは高周波ノイズを抑える効果が弱く、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、電流はスイッチによって変化します。このとき、入力電源は通常、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）に電流を供給する井戸がなく、容量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に示されています。
上記のアプローチはリップルの低減に限定されています。体積制限のため、インダクタンスはそれほど大きくなりません。出力コンデンサはある程度増加しますが、リップルの低減には明らかな効果はありません。スイッチング周波数が増加すると、スイッチ損失が増加します。したがって、要件が厳しい場合、この方法はあまり良くありません。
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の設計マニュアルを参照してください。
2. 2 レベルのフィルタリングでは、第 1 レベルの LC フィルタを追加します。
ノイズリップルに対する LC フィルタの抑制効果は比較的明白です。除去したいリップル周波数に応じて、適切なインダクタコンデンサを選択してフィルタ回路を構成してください。一般に、リップルを十分に低減できます。この場合、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。 (下図の通り)
サンプリングポイントはLCフィルタ(PA)の前に選択され、出力電圧は低下します。インダクタンスには直流抵抗があるため、電流出力時にはインダクタンスに電圧降下が生じ、電源の出力電圧が低下します。そして、この電圧降下は出力電流に応じて変化します。
出力電圧が目的の電圧になるように、サンプリング ポイントは LC フィルター (PB) の後に選択されます。ただし、電源システム内にはインダクタンスとコンデンサが導入されており、システムが不安定になる可能性があります。
3. スイッチング電源の出力後にLDOフィルタを接続
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。出力電圧は一定であり、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、最もコスト効率が高く、消費電力も最も高くなります。
どの LDO にもノイズ抑制率という指標があります。これは周波数-DB 曲線であり、下の図は LT3024 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 の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。
波紋を低減します。スイッチング電源の PCB 配線も重要です。高周波ノイズの場合、高周波の周波数が大きいため、後段のフィルタリングは一定の効果がありますが、その効果は明らかではありません。これに関しては特別な研究があります。簡単なアプローチは、ダイオードとキャパシタンス C または RC を使用するか、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。ダイオードが高速である場合、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中に、等価インダクタンスと等価キャパシタンスがRC発振器となり、高周波発振を発生します。この高周波発振を抑制するには、ダイオードの両端に容量CまたはRCバッファネットワークを接続する必要があります。抵抗は10Ω～100Ω、静電容量は4.7PF～2.2NFが一般的です。
ダイオード C または RC の静電容量 C または RC は、テストを繰り返すことで決定できます。正しく選択しないと、さらに激しい発振が発生します。
投稿時間: 2023 年 7 月 8 日
