拡張パワー測定／解析

4/5/6シリーズB MSOの拡張パワー測定／解析機能があれば、パワー・システムをより詳細に解析できます。高性能オシロスコープと優れた解析ソフトウェア、豊富な電圧／電流プローブを組み合わせることで、誰にでも簡単にパワー・システムの正確な自動測定が行えます。オシロスコープには、12ビットA/Dコンバータが搭載されており、高精度の測定データを利用できます。さらに、ピンチ／スワイプ／ズームに対応したタッチ・インタフェースを活用しながら効率的に測定できます。各種のグラフィカル・パワー解析ツールに加え、多チャンネル、大型HDディスプレイを装備し、パワー・システムを詳細に観測できます。最先端のIsoVu™光アイソレーション型差動プローブをはじめとする、さまざまな電圧／電流プローブが用意されています。同相除去性能に優れたIsoVuプローブと拡張パワー測定／解析ソフトウェアの自動測定機能を組み合わせることで、最新のGaN/SiC設計の最適化にも対応できます。

主要な測定項目

主な特長

• 4/5/6シリーズB MSOのピンチ／スワイプ／ズーム機能を使用して、自動測定機能の追加／設定／削除が可能
• テスト・レポートの自動生成機能により、測定項目、テスト結果、プロットを編集可能な一つのMHTファイルまたはPDFファイルとして出力できるため、テスト結果のレポートが容易
• オプションおよび内蔵任意波形／ファンクション・ジェネレータを使用した周波数応答解析（4/5/6-PWRのみ）。外付けのファンクション・ジェネレータ（AFG31000シリーズ）も利用可能
• 最先端のIsoVu光アイソレーション型差動プローブなど、さまざまな電圧／電流プローブが用意されており、広範なアプリケーションに対応可能
• 測定の設定、測定結果の転送など、リモート・インタフェースによるテスト・アプリケーションの自動化が可能
• FRA測定のセッション・ファイルの保存／呼出機能に対応
• パワーFRA測定によるSpectrum View解析

入力解析

電源品質測定、電流高調波、入力キャパシタンス、突入電流は、電源入力における基本測定項目であり、電源が電源ラインに及ぼす影響を解析し、電源ラインのさまざまな条件の下での電源性能を評価します。

電源品質

これらの測定は電源周波数に最適化されており、一般的に電源回路のACライン入力で実行されます。入力部の消費電力や歪みのレベルをすばやく解析できます。

測定項目：

• 実効電圧と実効電流

• 周波数

• 有効／皮相／無効電力

• 力率

• 電圧および電流の波高率

高調波

入力側にリアクタなどの非線形デバイスが使用された電源は、AC側から見れば非線形負荷となります。過大な高調波エネルギーは、軽減策を講じなければ電源ライン上の他の機器の動作に影響を与え、送電コストが上がることがあります。その結果、ライン電源で動作するデバイスによって高調波が発生し、規格に適合できなくなる可能性があります。

拡張パワー測定および解析には、 IEC61000-3-2、AM 14、MIL- STD-1399、DO-160、およびカスタム規格に対応したテスト・リミットが含まれます。これらの規格を利用することで、公式の適合性試験に投資する前に、事前適合性試験を実施することができます。カスタム・リミットは、リミットの定義が完了していない場合に新規の規格および設計を支援します。カスタム・オプションを使用して、リミットを設定および変更することができます。Power Harmonicsは最大400次までの高調波を計算し、バー・グラフとして表示し、さらに表形式でも表示します。これにより、表の結果とバー・グラフ上の個別の高調波を容易に移動しながら閲覧することができ、強力なデバッグ・ステップとして機能します。

入力キャパシタンス／突入電流測定

4-PWR-BAS/4-PWR/5-PWR/6-PWRは、ピーク突入電流とキャパシタンス測定機能を提供しており、作動中のスイッチング電源のテストに最適です。

突入電流、入力サージ電流、またはスイッチオン・サージとは、電気装置を最初に起動したときに、瞬間的に大きな入力電流が引き込まれる現象を指します。パワー・コンバータには、入力キャパシタンスの充電電流により、定常状態より高い突入電流が流れます。効率の高い設計を実現するためには、突入電流や入力キャパシタンスの測定がきわめて重要です。

スイッチング・コンポーネントの解析

電力変換効率と信頼性に対する要求の高まりにより、電源のエネルギー損失の正確な計算と評価の重要性が増してきました。

スイッチング損失測定

エネルギー損失は、電源のほとんどすべてのコンポーネントで発生しますが、スイッチング・モード電源（SMPS）におけるエネルギー損失の大部分は、スイッチング・トランジスタがターン・オフ（T_off）からターン・オン（T_on）の状態に移行するとき（ターン・オン損失）、またはその逆（ターン・オフ損失）のときに生じます。拡張パワー解析では、スイッチング・デバイス両端の電圧降下と電流を測定することで、各サイクルのスイッチング損失測定パラメータを自動的に計算します。

つい最近まで、ハーブブリッジ回路のスイッチング・ステージのハイサイド側でスイッチング測定を行うのは、ほとんど不可能とされてきました。ハイサイドV_DSや電流シャントの両端の電圧など、スイッチング・ノード基準に対して測定を行う場合は、差動信号に大きなコモンモード電圧信号が発生することで歪みが生じるという難題に直面していました。この問題は、スイッチング周波数が高いGaN/SiCトランジスタなどのワイド・バンドギャップ・デバイスで特に顕著であり、設計の見直しが急務となっています。

4/5/6シリーズB MSOはIsoVu光アイソレーション型差動プローブに対応しており、大きなコモンモード信号がある場合でも正確なスイッチング測定が可能です。

特別な設定によるスイッチング損失測定により、アクティブ力率補正、フライバック・コンバータにおいて、安定し、再現性のある測定が行えます。

取り込まれたすべてのサイクルのスイッチング損失の全体像を把握したい場合には、軌跡プロットを使用します。軌跡プロットでは、ターン・オン／ターン・オフ時におけるスイッチ両端の電圧とそこを流れる電流の対比が自動的にプロットされるため、すべてのスイッチング・サイクルのスイッチング損失のレンジを一目で把握できます。

安全動作領域

安全動作領域（SOA）プロットは、スイッチング・デバイスに最大仕様を超えるストレスがかからないことの確認、デバイス評価のためのグラフィカルな手法です。SOAテストは、負荷変動、温度変化、入力電圧変動を含む、動作条件の全範囲にわたる性能を検証します。SOAプロットにマスク・テストを併用して、検証を自動化することもできます。

RDS_(on)

この測定項目は、スイッチング・デバイスのスイッチング時の挙動の特性評価を行うもので、オン状態で電流が流れているときの抵抗を測定します。動的オン抵抗は、スイッチがオンに切り替わりデバイスに電流が流れるときに、デバイス全体に残る電圧の割合で表されます。アクイジション中の最小RDS_on値がハイライトで拡大表示されるため、容易に確認できます。さらに、トラバース機能を使用することで、サイクル間を移動しながら、それぞれのRDS_on値をすばやく参照できます。

磁気解析（4/5/6-PWRのみ）

サポートされている測定項目：

• インダクタンス
• BH曲線を含む磁気特性
• 磁気損失
• I対ʃV

すべての電源システムで磁気コンポーネントは重要な要素です。インダクタとトランスは、エネルギーの保存デバイスとして、スイッチング電源とリニア電源で使用されます。インダクタを出力フィルタに使用する電源もあります。システムで重要な役割を持つ磁気コンポーネントの特性を評価し、その安定性と電源全体の効率を知ることは欠かせません。

インダクタンス

インダクタは、周波数の増加と共にインピーダンスが増大し、低い周波数よりも高い周波数の妨げとなります。この性質をインダクタンスと呼び、ヘンリーという単位で測定します。拡張パワー測定／解析ソフトウェアでは、インダクタが自動的に測定されます。

磁気損失

磁気部品による電力損失の解析は、スイッチング電源の効率、信頼性および性能を評価する上で欠かせません。以下の図のように、拡張パワー測定／解析ソフトウェアでは、磁気部品による全電力損失が測定されます。

磁気特性

この測定では、磁束密度（B）、磁界強度（H）、ヒステリシス損失、全損失などの各種の損失成分を含む磁気成分の特性を計算します。また、オシロスコープのチャンネル数に基づく複数のセカンダ・リソース構成にも対応しています。

B-Hプロット

磁性材料の特性は磁束密度（B）、磁界強度（H）、および材料の透磁率（μ）で表されます。スイッチング電源でのB-Hプロットは、しばしば磁性素子の飽和（または不飽和）を確認するために使用され、コア材の単位量当たり、サイクルごとのエネルギー損失の指標を与えるものです。拡張パワー測定／解析ソフトウェアは、磁気部品の両端の電圧および磁気部品に流れる電流を測り、以下の図に示すようなB対H曲線をプロットします。変圧器の複数の二次巻線を同時にテストできるため、検証／試験回数が少なくなり、短期間での製品化につながります。

I対∫Vプロット

I対∫Vプロットを仕様することで、BおよびHの値（電圧および電流に比例）を解析できます。以下の図のように、電圧波形の積分と電流波形がXYプロットの形式で表示されます。

出力解析

DC電源の最終目標は、入力電力を1つまたはそれ以上の直流出力電圧に変換することです。スイッチング電源で重要な出力測定項目は、電源リップルとスイッチング・リップルです。

ライン／スイッチング・リップル

電源のDC出力は、クリーンな品質でACノイズ／リップルが最小であることが求められます。拡張パワー測定／解析ソフトウェアは、リップルを測定できるため、根本原因の特定に役立ちます。電源リップルの測定では、入力のライン周波数に関連するAC出力信号の量を測定します（入力が整流されるため、電源リップルは通常ACラインの周波数の2倍になります）。スイッチング・リップルの測定では、スイッチング周波数に関連するAC出力信号の量を測定します。

効率

今日の競争の厳しい市場において、デバイスまたは製品の効率は重要な差別化要因になります。拡張パワー測定／解析ソフトウェアを使用することにより、製品の電力変換効率（AC-DC、AC-AC、DC-DC、DC-AC）を簡単に測定できます。

複数の出力で同時に効率をテストできるため、テスト／検証時間を短縮できます。各出力は独立して設定できます。

ターン・オン時間とターン・オフ時間

ターン・オン時間は、入力電圧がオンになった後に、出力電圧が定常状態に達するまでの時間として定義されます。

ターン・オフ時間は、入力電圧がオフになった後に、出力がゼロ状態に達するまでの時間として定義されます。

SMPSは指定されたターン・オン／ターン・オフ時間に従って動作することがきわめて重要です。主電源とSMPSの起動時間の遅延が設計仕様（通常は1ms）に従わない場合、一部の精度の高い負荷で正常な動作が妨げられる可能性があります。ほとんどの組込みシステムでは2つ以上の電源が使用されており、複数の出力が使用されることも少なくありません。

4-PWR-BAS/4-PWR/5-PWR/6-PWRでは、最大5つ（4シリーズMSO）、7つ（5シリーズMSOまたは6シリーズB MSO）、または3つ（6シリーズMSO）の出力の同時測定を自動化できます。

周波数応答解析（4/5/6-PWRのみ）

制御ループ応答解析（ボード線図）、電源電圧変動除去比（PSRR）、インピーダンス測定は、安定性の高い低ノイズの電源設計に不可欠な測定機能です。ベクトル・ネットワーク・アナライザや専用の周波数応答アナライザを使用する場合、セットアップはもちろん、習得するのにも長い時間がかかります。拡張パワー測定／解析を使用すれば、オプション、内蔵、または外部任意波形／ファンクション・ジェネレータを利用して、4/5/6シリーズB MSO上で周波数応答を解析できます。

これらの測定は、4/5/6シリーズB MSOに搭載されているSpectrum Viewツールを活用して、ユーザ設定可能なさまざまな周波数帯域でより細かい周波数分解能を利用できます。そのため、周波数領域の測定値を解析することで、テスト結果の精度を向上させることができます。

制御ループ応答（ボード線図）

ボード線図、ゲイン／位相マージン測定により、電源制御ループの安定度を判定できます。制御ループが不安定の場合、回路が発振してしまう可能性があり、性能低下につながります。振幅／位相プロットを使用してフィルタ設計をテストすることもできます。

制御ループ応答の自動測定では、内蔵AFGを信号源として使用し、指定された周波数レンジをスイープして、それぞれのポイントの振幅と位相をプロットします。信号は、Picotest社のJ21xxAなどのインジェクション・トランスを使用して制御ループに入力します。測定結果のゲイン／位相プロットからゲイン／位相マージンが自動的に計算されます。カーソルを使用することで、曲線上の任意の周波数におけるゲイン、位相の値を表示できます。

制御ループ応答測定の設定では、開始周波数と終了周波数、振幅モード（Constant/Profile）の選択、インピーダンス、単位あたりのポイントなどを設定することで、プロットのレンダリングを細やかに制御できます。

Phase Wrap（位相ラップ）を使用すると、位相のトレースはアンラップされ、トレースは隣接フィールドに設定される度数よりもジャンプします。デフォルトの位相は180度に設定されています。

電源電圧変動除去比（PSRR）

DC-DCコンバータやレギュレータの設計者は、PSRRを測定することによって、デバイスの特定の周波数レンジにおけるAC減衰特性を定量化できます。テストでは、4/5/6シリーズB MSOのオプションの内蔵任意波形／ファンクション・ジェネレータまたは外付けのジェネレータ（当社AFG31000シリーズ任意波形／ファンクション・ジェネレータ）のほかに、レギュレータへの入力を変調するために信号インジェクタ（Picotest社製 J2120Aライン・インジェクタなど）を使用します。システムは変調入力と変調出力の両方のAC電圧を自動的に測定し、掃引帯域内の各周波数の除去比を20Log（V_in/V_out）として計算して、結果をプロットします。

インピーダンス

2ポート・インピーダンス測定を使用することで、指定した周波数レンジにおける電源分配ネットワーク（PDN）のインピーダンスを検証できます。テストでは、4/5/6シリーズB MSOのオプションの内蔵任意波形／ファンクション・ジェネレータまたは外部ジェネレータ（当社AFG31000シリーズ任意波形／ファンクション・ジェネレータ）のほかに、アクティブ・スプリッタ（J2161A）、電源（J2170B）、PDNネットワークのインピーダンスを測定するためにインジェクション・トランス（Picotest社製J2102A/J2113Aライン・インジェクタなど）を使用します。掃引帯域内の各周波数でインピーダンスがシステムによって自動的に計算され、結果がプロットされます。BNCまたはSMAケーブルによる直接接続を推奨します。

正確な測定結果を実現する高性能プローブ

電源システム測定の確度をあげるには、ノイズの除去とプロービング誤差の解消が重要です。4/5/6シリーズB MSOと拡張パワー測定／解析ソフトウェアは、さまざまなプローブをサポートしており、さまざまなニーズに柔軟に対応できるだけでなく、プロービングの問題を解決するのに役立つ優れた機能も備えています。

このシステムでは、プローブとオシロスコープ間の通信機能に対応するTekVPIインタフェースを装備した電圧プローブ、電流プローブを使用します。このインタフェースを使用すると、プローブのスケール設定がオシロスコープに自動的に読み込まれます。プローブによっては、オシロスコープの前面パネルからレンジをコントロールすることもできます。また、電流プローブが閉じていない、電流プローブの消磁など、エラー／警告などの状態が通知されます。

スイッチング損失など、タイミングが重要な測定においても、解析ソフトウェアは電圧／電流プローブに問い合わせることができるため、遅延の公称値を使用することでタイミング・スキューをとることができ、電圧／電流波形を同期させることで確度と再現性に優れた測定結果が得られます。

このシステムは、IsoVu絶縁測定システムにも対応しています。この差動プロービング・システムは完全な光絶縁が可能で、最高1GHzの周波数帯域と優れた同相除去性能を備えているため、電源システムのV_GS、V_DS、またはV_SHUNT測定に最適です。IsoVuプローブは、GaN/SiCトランジスタなどのワイド・バンドギャップ・スイッチング・デバイスを使用したデザインの最適化にも優れた性能を発揮します。

テスト・レポートの自動作成

設計／開発プロセスで、データ収集、保存、レポート作成という作業には時間がかかりますが、これはきわめて重要な作業です。4-PWR-BAS/4-PWR/5-PWR/6-PWR解析ソフトウェアはテスト・レポートの自動生成機能を備えており、テスト結果の共有や記録が行えます。ボタンを押すだけで、アクティブな測定項目が網羅されたレポートを生成できます。プロットやテスト項目を追加するなど、さまざまなカスタマイズが可能です。編集可能な.mhtファイルのほか、.pdfファイルも生成できます。以下はレポートの出力例です。