負荷過渡応答 – ループ安定度テストの強化

負荷過渡応答 – ループ安定度テス トの強化 スイッチングコンバーターの安定度を検証することは、電源の設計に不可欠です。スイッチン グコンバーターの安定度を確認するためには、周波数ループ応答と負荷過渡応答が多く使 用されます。設計の検証に対しては周波数ループ応答がますます重要になっていますが、これ までと変わらず負荷過渡応答も一般的に使用されています。負荷過渡応答は、パルス幅変調 （PWM）信号の正のデューティーサイクルを時間軸上に可視化することで増強することもでき ます。最新のオシロスコープはこれを行えるだけでなく、未知のコンバーター効果を特定する のにも役立ちます。 課題 適切で安定した動作を確保するループ安定度を実現するには、 電源の設計を検証する必要があります。現在、周波数ループ応 答が、コンバーターのループ安定度を測定するための第1の選 択肢です。周波数ループ応答では、小信号AC解析を使用しま す。小さな正弦波信号をループに注入して、開ループにて広い 周波数範囲で利得と位相を測定します。 この場合、測定した利得と位相の周波数変化をボード線図に 表示して、ゲインマージン、位相マージン、クロスオーバー周波 数を直接読み取ります。負荷ステップ応答テストでは、大電流ス テップを印加してから、電圧応答を測定／解析する必要があり ます。大信号測定は閉ループで実行します。これは開ループシ ステムとはかなり異なります。出力電圧をタイムドメインで解 析して、コンバーターの安定度を予測し判断する必要がありま R&S®MXO 4 オシロスコープ す。図1の例は、ステップダウンコンバーターを使用して負荷過 渡応答をテストするものです。 負荷電流を急速に変化させる場合には、負荷ステップ発生 器をコンバーターの出力端子に接続することが不可欠で す。PWM信号が制御ループの発電部分を制御します。そのた め、負荷ステップの印加中に正のデューティーサイクルを測定 すれば、未知の効果を可視化するときに負荷過渡応答を増強 することができます。 この測定には、記録時間全体にわたって高いサンプリングレー トで正のデューティーサイクルを測定できる測定器が必要にな ります。サイクルごとの測定を波形対時間として表示する必要 があります。 Application Card | Version 01.00

ローデ・シュワルツのソリューション アプリケーション R&S®MXO 4 オシロスコープは、PWMスイッチング周波数が 同期整流機能を備えたフルブリッジ回路のDC/DCスイッチング 高い場合でも長い記録時間にわたって正のデューティーサイク コンバーターで、トラック機能を実現しています。絶縁されたコ ルを測定することができるので、このような難しい作業に最適 ンバーターは100 kHzのスイッチング周波数で動作して、48 V です。十分な帯域幅、高いサンプリングレート、大容量メモリの の入力電圧を12 Vの出力電圧に変換します。出力電流は最大 すべてが必要になります。収集されたすべての正のデューティ 8 Aに設定され、電子負荷を用いて出力負荷ステップが出力さ ーサイクルを使用して、トラックの収集期間全体にわたる変化 れます。 を可視化することができます。1サイクルの測定ごとのトラック を時間軸上に表示することができます。トラック波形に含まれ デバイス設定 る一般的な負荷過渡波形を図2に示します。 正のデューティーサイクルをトラック波形として可視化するた めには、コンバーター出力にて負荷ステップを印加する前に、 図2には、3つの連続した負荷ステップの標準的な出力電圧と いくつかの作業を事前に完了しておく必要があります。 出力電流の波形が表示されています。コントローラー出力の正 ► チャネルをセットアップしてプローブを選択します。 のデューティーサイクルも表示されています。これは、トラック ► コントローラー出力にて負荷ステップイベントを捕捉するた を構成するために使用されるものです。理論的には、デューティ めのトリガを定義します。 ーサイクルが発電部をレギュレートして一定の出力電圧を維持 ► 正のデューティーサイクル測定機能を有効化し、基準電圧の するので、トラック波形は出力電圧波形を反映しています。 パーセントレベル（20 %、50 %、80 %）を設定します。 ► エッジが急峻なPWM信号を正確に測定するために、十分 なサンプリングレート（≧100 Mサンプル／秒）を設定する 必要があります。 ► シーケンス全体（ローからハイ、次のハイからローを含む1 つ以上の電流ステップ）を捕捉するのに十分な記録長が必 要です。 ► 測定サブメニューの中でトラック機能を有効化して、表示ス ケールを最適化します。 過渡負荷の測定 図1：ステップダウンコンバーターの負荷過渡テストセット セットアップを完了した後、電子負荷を設定して、低電流値（最 アップ 大負荷の20 %）と高電流値（最大負荷の80 %）の間で変化す る負荷ステップを印加します。トリガが有効なトリガ条件を検出 Vin Vout するとすぐに、画面上に波形が表示されます（図3参照）。上部 Vref のウィンドウに表示されているのは、収集された2つの両方向 + の負荷ステップです。出力電圧はチャネル1で測定し、出力電流 PWM – はチャネル2で測定しています。PWM制御信号（チャネル3）と 正のデューティーサイクルのトラック波形も表示されています。 Load step ズームウィンドウの表示により、定常状態動作に再度入る前の 出力電圧降下はわずか300 μs程度であることがわかります。カ ーソル機能による測定では、定常状態での20 %負荷と80 %負 荷の間の差はわずか2.4 mVです。コンバーターが定常状態に 入った後、トラック波形には異なるレベル（24 %ではなく26 % ）が表示されます。この差により効果が明らかになり、図2に記 図2：負荷過渡応答 載されている予測値に合わないことがわかります。定義と理論 に従うと、デューティーサイクルは負荷電流の影響を受けない Output +5% voltage はずです。 –5% Recovery time Output 制御理論を吟味すると、2 %の差は、高い出力電流により生じ 80% current た高い伝導損失が原因であることがわかります。高い損失は主 20% に、変圧器と出力整流器で発生しています。正のデューティーサ イクルを大きくして追加損失を等価にする必要があります。トラ PWM_L ック機能を使用すれば、この複雑な測定作業を実行することが できます。 Track positive duty cycle Time in ms 2

図3：ステップダウンコンバーターの負荷過渡テストセットアップ まとめ システムの詳細な動作を明らかにするために詳細な解析が求 められる場合、R&S®MXO 4 オシロスコープは、PWM制御式 のあらゆるパワーコンバーターの負荷過渡現象を検証するの に最適です。大容量メモリストレージやトラック機能などの優 れた機能は、ユーザーがコンバーター動作の詳細を観測して 理解するために役立ちます。 詳細はこちら www.rohde-schwarz.com/oscilloscopes Rohde & Schwarz 負荷過渡応答 – ループ安定度テストの強化 3

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