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4/5/6-PWRアプリケーション・ソフトウェアを使った電源測定と解析
4/5/6-PWRアプリケーション・ソフトウェアを使った電源測定と解析
ポータブル電子機器から産業用およびエネルギーシステムまで、設計者は定常状態性能、ならびにスイッチング損失、制御ループ安定性、過渡応答などの動的挙動を評価する必要があります。オシロスコープベースのツールにより、エンジニアは、複数の動作領域にわたる電圧、電流、および電力の関係を捕捉できる、高精度で再現性の高い測定技術を使用して、これらの目標を達成できます。
本アプリケーション・ノートでは以下について説明します：
- プローブのデスキュー、プローブオフセット補正、電流プローブの消磁を含む、正確な電力測定の設定方法。
- 最新のGaNおよびSiCデザインを最適化し、トランジスタのスイッチング解析を実行する方法。
- インダクタンスとトランスの特性を評価して電源の安定性と効率を決定する方法、および電源制御ループの周波数応答を特性評価する方法。
- DC電源の出力を評価し、インバータのライドスルー解析を実行する方法。
- IsoVu絶縁プローブなど、差動プローブおよび電流プローブについて説明します。
このアプリケーション・ノートで使用されている計測器は、拡張パワー測定／解析ソフトウェア（オプション4-PWR、5-PWR、または6-PWR）を搭載したTektronix 4、5、6シリーズBミックスド・シグナル・オシロスコープです。これらのプラットフォームは、適切な電圧／電流プローブと組み合わせることで、幅広いパワー・エレクトロニクス・アプリケーションに対応する、スケーラブルで一貫性のある測定環境を提供します。
はじめに
今日の電源設計者は、90％以上の電力変換効率を達成するというますます大きなプレッシャーに直面しています。この傾向は、ポータブル電子機器のバッテリ長寿命化、IoT（モノのインターネット）、および消費電力の少ない「グリーン」な製品に対する需要によって推進されています。多くの設計において、シリコンFETやIGBTをGaNまたはSiCのスイッチング・デバイスに置き換えています。常に、市場投入期間のプレッシャーにより、より高速な（ただし正確な）テストが推進され続けています。
FlexChannel®入力と革新的なグラフィカル・ユーザー・インタフェースを備えた4、5、6シリーズMSOにより、設計者は複数のテスト・ポイントを一度にテストできるため、テストが高速化されます。高度なパワー測定と解析オプション（4-PWR、5-PWRおよび6-PWR）は、主要なパワー測定のセットアッププロセスを自動化し、電源設計の規範と標準に基づいてテスト結果を評価するためのツールを提供します。
このアプリケーションノートでは、Tektronix 4、5、または6シリーズMSOオシロスコープと4-PWR、5-PWR、または6-PWRパワー解析ソフトウェアを使用して、重要な電源測定を行う方法について概要を説明します。
電源測定の準備
正確な測定を行うためには、パワー測定システムを正しく設定し、波形を正確に捕捉して解析およびトラブルシューティングを行う必要があります。考慮すべき重要なトピックは次のとおりです。
- 電圧プローブと電流プローブ間のスキューの除去。
- プローブのオフセットをなくす
- 電流プローブの消磁
電圧および電流プローブ間のスキュー解消
オシロスコープでパワー測定を行うには、被測定デバイスの電圧および電流を測定する必要があります。この作業には、2つのプローブ（電圧プローブ（多くの場合、高電圧差動プローブ）と電流プローブ）が必要です。それぞれの電圧プローブと電流プローブには、固有の伝搬遅延があり、これらの波形で発生するエッジは一致しない可能性があります。電流プローブと電圧プローブ間の遅延の差（スキュー）により、振幅とタイミングの測定精度が低下します。
スキューはタイミング遅延を引き起こすため、タイミングのずれ、位相、および力率の測定値に誤差が生じる可能性があります。多くの測定システムは、機器内部の遅延を「自動補正」できますが、システムにプローブを追加する場合は、プローブ・アンプとケーブル長の違いを補正する必要があります。
4、5、または6シリーズMSOを使用すると、プローブ先端から測定システムまでの遅延を補正し、最も正確なタイミング測定を行うことができます。プローブを同じ波形ソースに接続し、より速い信号の信号パスに遅延を追加することで、手動でプローブのデスキューを行うことができます。これにより、短いプローブ・ケーブルに物理的にケーブル長を追加することなく、信号の時間的なアライメントを行うことができます。
**図1**。差動電圧プローブと電流プローブ間の静的スキュー補正（調整前）。これらのプローブは、公称伝播遅延を保存するオンボードメモリを搭載しています。
4、5、6シリーズMSOは、ワンボタンの「スタティック」デスキュー機能も提供します。図1は、2つのTekVPI®パワー・プローブ間のスキューの例を示しています。オシロスコープは、プローブから公称伝搬遅延を読み取り、2つのプローブ間に約1.48 nsの遅延差があることを計算します。「OK、デスキュー」ボタンを押すだけで、信号間の相対的なタイミングが調整されます。
図2は、静的デスキュー機能の実行後に、図1で使用されているのと同じテスト・セットアップを示しています。テクトロニクス製以外のプローブを使用する場合は、電圧と電流の波形を手動でデスキューし、電流プローブの設定を構成する必要があります。
図2は、静的デスキュー機能が実行された後の、図1で使用された同じテストセットアップを示しています。テクトロニクス製以外のプローブを使用する場合、電圧波形と電流波形を手動でデスキューし、電流プローブの設定を構成してください。
プローブ・オフセットの除去
差動プローブにはわずかな電圧オフセットがある場合があります。このオフセットは精度に影響を与える可能性があるため、測定を進める前に除去する必要があります。ほとんどの差動電圧プローブにはDCオフセット調整コントロールが内蔵されており、オフセット除去は比較的簡単な手順です。
同様に、測定を行う前に電流プローブのオフセットを調整する必要がある場合があります。電流プローブのオフセット調整は、DC電流を平均値0アンペアに、または可能な限り近づけてヌルにすることで行われます。TCP0030A AC/DC電流プローブなどのTekVPIプローブは、自動デガウス/オートゼロ手順を内蔵しており、図3に示すように、プローブ補償ボックスのボタンを押すだけの簡単なものです。
図3。Tektronix TCP0030A AC/DC電流プローブ（消磁/オートゼロ機能付き）。
電流プローブの消磁
消磁により、トランスのコアにある残留DC磁束が除去されます。これは大量の入力電流によって発生する場合があります。この残留磁束によりオフセット誤差が生じるため、測定精度を高めるためにこれを除去する必要があります。
Tektronix TekVPI電流プローブは、消磁警告インジケータを備えており、ユーザに消磁操作の実行を通知します。電流プローブは時間とともに大きなドリフトが発生する可能性があり、測定値に大きな影響を与える可能性があるため、消磁警告インジケータは重要です。
ワイド・バンドギャップ・テストの課題を解決
つい最近まで、ハーフブリッジ・スイッチング・ステージのハイサイドでのスイッチング測定は、ほとんど不可能でした。スイッチング・ノード基準の測定（ハイサイドVDSや電流シャント両端の電圧など）は、差動信号に影響を与える大きなコモンモード電圧信号のために歪みが生じました。この問題は、スイッチング周波数が増加し、最新のデザインを最適化する必要性が不可欠になるにつれて、GaNやSiCトランジスタなどのワイド・バンドギャップ・デバイスでより深刻になります。IsoVuプローブの他に類を見ないコモンモード除去と拡張パワー測定・解析の自動化を組み合わせることで、最新のGaNおよびSiC設計の最適化に最適なソリューションを提供します。
図4。多くの電源トポロジーでは、高いコモンモード信号が存在する状況で、小さな差動電圧を測定する必要があります。たとえば、ハーフブリッジ・スイッチング・ステージのハイサイドのVGSは、グランドに対して数百ボルトも変動することがよくあります。IsoVu™光アイソレーション型測定システムは、非常に高い同相除去性能を提供します。
入力解析
ライン測定では、変化する入力に対する設計の応答、設計の電流および電力の消費、ならびに設計のライン電流の歪みを特性評価します。消費電力などの一部の測定項目は、重要な仕様です。その他、力率や高調波などの測定項目は、規制によって制限される場合があります。
電源品質測定
4-PWR、5-PWR、6-PWRでは、電力品質測定は標準的なパワー測定項目の一部です。これらは通常、ACライン入力で実行されますが、パワーインバータなどのデバイスのAC出力にも適用できます。これらの測定項目は以下のとおりです：
- 周波数
- 実効電圧と実効電流
- クレスト・ファクタ（電圧・電流）
- 有効電力／無効電力／皮相電力
- 力率、および位相
測定の実行
システムのライン電圧の測定には差動プローブを、ライン電流の測定には電流プローブを使用することで、電力品質の測定を簡単に行うことができます。この同じセットアップは、電流高調波の測定にも使用できます。
「図5」。電力品質測定により、ACラインの詳細な状態が分かります。電源電圧は上部の波形です。電流は赤色の波形です。瞬時電力はオレンジ色の波形です。結果バッジ（右上）にはライン特性の概要が表示され、上部の結果表を有効にすると、より詳細なデータと統計情報を確認できます。
測定結果
- 周波数：電圧波形の周波数（単位：ヘルツ）。
- VRMS：表示電圧波形の実効値。
- IRMS：表示された電流波形の実効値
- Vクレスト・ファクタ：電圧のピーク振幅を電圧の実効値で割ったもの。
- 電流クレスト・ファクタ：電流のピーク振幅を電流のRMS値で割った値。
- 有効電力：システムの実効電力（ワット (W) で測定）
- 無効電力：誘導性または容量性要素に一時的に蓄積される仮想的な電力で、無効ボルト・アンペア（VAR）で測定されます。
- 皮相電力：ボルト・アンペア（VA）で測定される複素電力の絶対値
- 力率：有効電力と皮相電力の比率。
- 位相：有効電力ベクトルと皮相電力ベクトルの間の角度（単位：度）
高調波
非線形デバイスが回路への電流の流れを歪ませると、電流高調波が発生します。線形回路は基本線周波数でのみ電流を流しますが、非線形回路は基本周波数の倍数で電流を流し、各高調波ごとに異なる振幅と位相を持ちます。
高調波電流が配電系のインピーダンスを流れると、電圧歪みが生じる場合があります。ケーブル配線やトランスには熱が蓄積する場合があります。また、系統に接続されるスイッチング電源の数が増えるにつれて、系統の高調波歪みも増加します。
したがって、非線形負荷による電源品質への影響を制限するための規格が策定されています。IEC61000-3-2、MIL-STD-1399、DO-160Gなどの規格は、高調波を制限するために開発されました。
IEC61000-3-2規格は、公共の主電源システムに注入される電流高調波を制限します。これは、公共の低電圧配電システム（230V ACまたは415V AC 3相）に接続される、相あたり最大16Aの入力電流を持つすべての電気および電子機器に適用されます。この規格は、さらにクラスA（平衡三相機器）、クラスB（ポータブルツール）、クラスC（照明機器および調光装置）、クラスD（独自の電流波形要件を持つ機器）に分類されます。
MIL-STD-1399は、コンピューターや通信機器からエアコンに至るまで、艦載AC電力システムとの互換性を維持するための機器（負荷）の仕様とテスト要件を規定しています。DO-160G規格は航空機搭載システム向けです。
図6。基本的な電流高調波解析のセットアップには、いくつかの設定が必要です。この例では、業界標準に対する事前コンプライアンスチェックの設定を示しています。
パワー解析アプリケーションを使用すると、高調波電流を簡単に測定できます。測定結果をグラフ／表形式で表示できます。また、設計者は、時間とコストがかかることが多い認証を受ける前に、デバイスの性能を準拠規格とすばやく比較できます。これらの測定機能をオシロスコープで利用できることで、デバッグが高速化するだけでなく、規制要件を満たすための間際での設計変更を防ぐことができます。
図7 高調波の結果。非正弦波電流波形は右下に見られます。高調波バー・チャートは、デシベル・スケールで高調波成分を表示します。奇数次高調波は最も重要ですが、IEC 61000-3-2規格値を十分に満たしています。
測定の実行
線間電圧の測定には、差動電圧プローブを使用します。線間電流の測定には、電流プローブを使用します。
設計における高調波をIEC 61000-3-2規格のリミットと比較する場合、ライン周波数を定義し、クラスタイプを選択する必要があります。クラスCまたはD規格の場合、入力電力、力率、および基本電流も入力する必要があります。この解析パッケージは、事前に定義されたリミット表をロードし、測定された高調波とリミットの比較を行います。プリコンプライアンスの結果は、図8に示すように提示されます。
図8。最大100次までの高調波をグラフ形式で表示できます。表に、IEC 61000-3-2のプリコンプライアンス・テストの結果を示します。設定に基づいて、分析パッケージは事前定義されたリミット・テーブルをロードし、測定された各高調波とリミットを比較します。
測定結果
- 結果バッジには、選択された高調波規格、基本波、第3高調波の振幅、THD-F、THD-R、RMS値、および合否ステータスが表示されます。
- 個々の高調波を選択でき、測定値は結果バッジ、バー・グラフ、結果表の間でリンクしています。
- 高調波測定結果表に含まれるもの:
- 電流高調波は、デシベルマイクロアンペア（dBµA）またはアンペア（A）の単位で表示されることがあります。
図9. チャネル7の電流に対して、自動突入電流測定とキャパシタンス測定が実行されています。
突入電流と入力容量
一般に、電源を初めて投入したときに突入電流が発生します。入力キャパシタンスが充電されるにつれて、パワー・コンバータに比較的高い電流が流れます。初期の突入電流の後、他のシステム変更が発生しない限り、電流は定常状態に落ち着きます。突入電流測定は、保護デバイスの選定を含め、電源の設計に関する重要な情報を提供できます。極端な場合、突入電流はACラインで電圧低下を引き起こす可能性があります。
電力解析ソフトウェアは、自動突入電流測定を提供します。突入電流領域を特定し、ディスプレイ上に注釈を付けます。その後、その領域内で突入電流を計算します。
突入電流と入力容量は直接関係しており、どちらも電源コンバータの起動特性を理解する上で重要な知見を提供します。
図10。電源投入時に突入が発生します。電流波形は、定常状態に達する前にピークが徐々に減少することを示しています。
図11。スイッチング損失測定。上側のトレース（オレンジ色）は、電流と電圧を乗算して瞬時電力を算出しています。損失測定は、瞬時電力波形で行います。各損失領域には、測定ラベルに対応する色分けされたマーカーが付いています。下側の波形は、スイッチ両端の電圧とスイッチを流れる電流です。
スイッチング解析
電源のスイッチング段での測定により、コンバータが正しく機能していること、損失の原因が定量化されること、およびデバイスが正常な範囲内で動作していることが確認されます。
スイッチング損失測定
ターンオン損失は、さまざまな物理コンデンサと寄生コンデンサが充電され、インダクタが磁場を生成し、関連する過渡抵抗損失が発生する際に生じます。同様に、スイッチング電源がオフになると、主電源が取り除かれていても、さまざまなコンポーネントを放電して相互作用するために利用可能なエネルギーが残っているため、ここでも損失が発生します。
測定の実行
スイッチング損失測定を行うには、オシロスコープはスイッチング・デバイス両端の電圧と、そこを流れる電流を測定する必要があります。スイッチング損失の結果は、図11に示すように表示されます。
測定結果
- Ton：各サイクルのターンオン電力とエネルギー損失値の平均
- Toff：各サイクルにおけるターンオフ電力およびエネルギー損失値の平均
- 合計：総平均電力損失と平均エネルギー値の各サイクルにおける平均値
- 左右の矢印ボタンを使用すると、スイッチングサイクルを移動し、問題箇所に絞り込むことができます。
- 測定結果は結果テーブルでも表示できます。この表には、すべてのスイッチングサイクルで累積された測定結果が表示され、素早く確認できます。
図12。RDS(on)測定。Ch1（黄色の）波形はFETのVDS電圧であり、Ch2（シアンの）波形はFET電流です。電流が伝導領域で高いことを正しく示すために、波形は位相反転されています。演算はRDSon値をプロットし、結果バッジは演算波形に従って計算された最小RDSon値を表示します。この場合、1.13mΩです。
RDS(on)
この測定は、スイッチング・サイクルの導通期間中、デバイスがオン状態で電流が流れているときのスイッチング・デバイスのドレイン-ソース間抵抗を特性評価します。動的オン抵抗は、デバイスがオンのときのデバイス両端電圧と、デバイスを流れる電流の比です。カーソル・ゲーティング機能を使用すると、スイッチング・デバイスの損失に大きく影響するRDS(on)を正確に測定できます。
図13. トランジスタの安全動作領域（SOA）グラフ。
安全動作領域
スイッチングトランジスタの安全動作領域（SOA）は、特定の電圧でトランジスタを安全に流れることができる電流を定義します。SOAは通常、BJT、MOSFET、またはIGBTスイッチングトランジスタのデータシートで定義されています。これは、VCE（またはFETの場合はVDS）対ICE（またはIDS）のプロットとして与えられ、トランジスタが劣化または損傷なく動作できる範囲を記述しています。
パワー解析ソフトウェアを使用すると、デバイスのデータシートからSOAを4、5、または6シリーズMSOに転送できます。次に、電源設計の動作条件を変化させながら、実際の回路内のデバイスの電圧と電流を測定できます。オシロスコープはV-Iプロットを記録し、パラメータがSOAの範囲外になるかどうかを示すことができます。
測定の実行
電源動作中のトランジスタのSOAを決定する上での主な課題の1つは、さまざまな負荷条件、温度変化、およびライン入力電圧の変動下で、電圧と電流のデータを正確に捕捉することです。この解析パッケージは、データ捕捉と解析を自動化することで、このタスクを簡素化します。測定セットアップでは、スイッチング・トランジスタ両端の電圧と、そこを流れる電流をプロービングする必要があります。
次のステップは、SOAマスクを設定することです。図15に示すように、SOAマスクエディタでは、データシートに定義されている、または独自の規格によって、トランジスタのSOA制限を入力できます。
図14。5-PWRを使用したSOA。データ点がマスクゾーン内にあれば「合格」を示す黄色で表示され、マスクゾーン外にあれば「不合格」を示す赤で表示されます。この例では、V-I曲線がSOAの範囲外に出てしまい、スイッチング・デバイスに過剰なストレスがかかっています。
測定結果
セットアップの完了後、SOAテストの結果を図14に示します。電圧と電流の波形は、XYモードで1つのレコードにプロットされます。このプロットは、1つのアクイジション・サイクルにおけるすべてのデータを示します。
図15 。SOAマスク・エディタ・ウィンドウ。マスクは、スイッチング・デバイスのデータシートから取得した電圧と電流の座標のセットによって定義されるか、またはユーザ定義にすることができます。
結果バッジには、デバイスがSOAマスクを逸脱した回数とパス／フェイル判定が表示されます。
磁気解析
インダクタとトランスは、スイッチング電源とリニア電源の両方でエネルギー貯蔵デバイスとして使用されます。一部の電源では、出力フィルタにインダクタも使用します。パワー・コンバータにおける重要な役割を考えると、電源の安定性と全体的な効率を判断するためには、これらの磁気コンポーネントを特性評価することが不可欠です。
4/5/6-PWRの磁気解析により、以下の測定グループが自動化されます: インダクタンス、磁気損失、およびB-Hパラメータ。
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。この動作はインダクタンスと呼ばれ、ヘンリーを単位として測定されます。デバイスのインダクタンスは、パワー解析ソフトウェアを搭載したオシロで自動測定できます。
測定の実行
4/5/6-PWRアプリケーションは、時間に対する電圧を積分し、電流の変化で割ってインダクタンス値を計算します。測定は、磁気コンポーネントの両端の電圧と磁気コンポーネントを流れる電流をプローブすることによって行われます。インダクタンス測定結果は、図15に示す他のいくつかの測定値と共に表示されます。黄色の波形（Ch1）はインダクタ両端の電圧であり、シアンの波形（Ch2）はインダクタを流れる電流です。B-H曲線も表示されます。
測定結果
インダクタンス：デバイスまたは回路のインダクタンス値
磁気損失
磁気電力損失の解析は、スイッチング電源における包括的な損失解析の重要な部分です。主要な2つの磁気損失は、コア損失（鉄損）と銅損です。銅巻線抵抗は、電源の銅損に寄与します。コア損失（鉄損）は、磁気コアにおける渦電流損失とヒステリシス損失の関数です。コア損失（鉄損）はDC磁束には依存しませんが、AC磁束振幅と動作周波数の影響を受けます。
測定の実行
4/5/6-PWRは、単巻インダクタ、多巻インダクタ、さらにはトランスにおける磁気損失を計算できます。
単巻線トランスの場合、差動プローブを接続して一次巻線にかかる電圧を測定します。電流プローブは、トランスを流れる電流を測定します。オシロスコープとパワー測定ソフトウェアは、磁気電力損失を自動的に計算できます。
磁気電力損失の結果は、図16に示すとおりです。
測定結果
電力損失: 磁気部品による全電力損失。
磁気特性（B-Hカーブ）
磁束密度Bはテスラ単位で測定され、磁界の強さです。これは、磁界によって移動する電荷に及ぼされる力を決定します。A/mで測定される磁界強度Hは、磁化力として参照されます。材料の透磁率µはH/mで測定されます。これは、印加された磁界による材料の磁化の度合いを測定します。
磁気長やコアの巻数などの物理的特性は、磁性材料のBとHを決定するのに役立ちます。スイッチング電源でのB-H曲線プロットは、磁性素子の飽和（または不飽和）を確認するためによく使用され、コア材の単位体積あたりのサイクルごとのエネルギー損失の測定値を提供します。この曲線は、磁束密度Bと磁界強度Hをプロットしたものです。BとHはどちらも、磁気長やコアの巻数など、磁気コンポーネントの物理的特性に依存するため、これらの曲線はコンポーネントのコア材の性能範囲を定義します。
図16。インダクタの磁気測定。Ch1（黄色）波形はインダクタ両端の電圧であり、Ch2（シアン）波形はインダクタ電流です。B-H曲線はディスプレイの中央に表示されます。インダクタンス、磁気損失、および磁気特性は、右側の結果バッジに表示されます。
測定の実行
B-Hプロットを生成するためには、磁性要素にかかる電圧と、それを流れる電流を測定します。トランスの場合、一次巻線と二次巻線を通る電流が重要になります。パワー解析ソフトウェアがB-H曲線プロットを計算する前に、インダクタの巻数（N）、磁気長（l）、コアの断面積（Ae）を最初に構成パネルに入力する必要があります。
高電圧差動プローブは、オシロスコープのCh1とトランスの一次巻線に接続されます。この測定された電圧は、磁気コンポーネントの磁気誘導Bの結果です。Ch2は、電流プローブを使用して一次側を流れる電流を測定します。必要に応じて、電流プローブはCh3とCh4の二次巻線を流れる電流を測定するためにも使用されます。パワー解析ソフトウェアは、オシロスコープのチャンネル2、3、4からのデータを使用して磁化電流を計算します。磁化電流値は、その後Hコンポーネントを決定するために使用されます。
磁気特性の結果は、図16に示されているとおり表示されます。
測定結果
- ΔB：磁束密度の変化
- ΔH：電界強度の変化
- 透磁率：材料の磁化の度合い
- Bpeak: 磁気コンポーネントに誘起される最大磁束密度
- Br: H=0でもBが正の値を持つ曲線上の点。これはコンポーネントの残留磁化として知られており、その保持力の尺度です。残留磁化が高ければ高いほど、その材料はより多くの磁化を保持します。
- Hc：B = 0でHが負の値となる曲線上の点。これは、Bをゼロにするために必要な外部磁界を表します。このHの値は保磁力として知られています。保磁力値が小さいということは、その部品が容易に減磁できることを意味します。
- Hmax: H軸とヒステリシスループの交点におけるHの最大値
- Iリップル: 電流のp-p値。
図17．接地された信号源をフローティング注入抵抗から絶縁するために、絶縁トランス／注入トランスが使用されます。
周波数応答解析
制御ループ応答
制御ループ応答解析（多くの場合、結果の曲線からボード線図と呼ばれます）は、電源の制御ループの周波数応答を特性評価するのに役立ちます。ボード線図は、さまざまな周波数値で計算されたフィードバック・ループのゲインと位相シフトを表しており、制御ループの速度と電源の安定性に関する貴重な情報を提供します。VNA（ベクトル・ネットワーク・アナライザ）を使用して測定できますが、オシロとファンクションジェネレータを使用しても測定できます。
電力系統の応答を測定するには、既知の信号をフィードバック・ループに注入する必要があります。この測定では、4/5/6シリーズの任意波形／ファンクション・ジェネレータ（AFG）オプションを使用して、指定された周波数範囲で正弦波を生成します。DC-DCコンバータまたはLDOは、ファンクションジェネレータからの妨害信号をループに注入できるように、フィードバック・ループに小さな（5～10Ω）注入抵抗または終端抵抗を接続して構成する必要があります。
広帯域の周波でフラットな応答を持つインジェクション・トランスが注入抵抗の両端に接続され、接地信号源を電源から分離します。Picotest社のJ2101Aインジェクション・トランスのレンジは10Hz～45MHzで、4/5/6シリーズMSOのファンクションジェネレータ・オプションとよく合致します。TPP0502などの低容量、低減衰の受動プローブは、電圧測定に推奨されます。これにより、6シリーズMSOでは500µV/div、4/5シリーズMSOでは1mV/divの垂直感度での測定が可能になります。
図18。開始周波数、停止周波数、振幅、およびパー・ディケードあたりのポイント数により、ジェネレータが制御ループに注入する刺激が決定されます。
**図19**。振幅プロファイルを使用すると、測定の信号対ノイズ比（SNR）を改善できます。これにより、DUTが妨害に敏感な周波数では低い振幅を、感度が低い周波数では高い振幅を適用できます。
接続後、刺激掃引を設定する必要があります。4/5/6-PWRソフトウェアは、定振幅およびプロファイル振幅方式に対応しています。定振幅掃引は、すべての周波数で同じ振幅を維持します。プロファイル方式を使用すると、定義した周波数帯域で異なる振幅を指定できます。振幅プロファイル方式は、測定のS/N比（SNR）を向上させるために使用できます。
図20。ソフトウェアは、20log (Vout/Vin) としてゲイン（緑のトレース）を計算します。赤いトレースは、注入信号と出力間の-180°を基準とした位相シフトを表しています。位相マージン（PM）は、ゲイン曲線が0 dBを交差するところで測定されます。ゲイン・マージン（GM）は、位相曲線がゼロ度のマークを交差するときに測定されます。この表には、各周波数におけるゲインと位相が示されています。
位相マージンはゲイン交差周波数で測定されます。これは、ゲイン・プロットが0dBを横切る周波数で発生します。位相プロット上の対応するポイントが位相マージンとなります。
ゲイン・マージンは、位相が-180°を横切る位相交差周波数で測定されます。位相は-180を基準としてプロットされるため、これはゼロ交差として現れます。この位相交差周波数での対応するゲイン値が、ゲイン・マージンとなります。
図21。PSRRプロットは、電源の入力に適用されたACが電源の出力でどのように減衰するかを示します。
電源電圧変動除去比（PSRR）
電源除去比は、電源の入力におけるACノイズがそのDC出力に現れるのを防ぐ能力を特徴付けます。PSRRテストを実行するには、電源の入力に掃引正弦波刺激が印加されます。この測定には、Picotest社製J2120Aライン・インジェクタのような、DC+ACネットワーク加算デバイスが必要です。
図22. ライン・インジェクタは、ファンクションジェネレータからのAC刺激を電源のDC入力に加えるために使用します。
5/6-PWRソフトウェアは、掃引を自動化し、各周波数で入出力信号の測定を行います。周波数帯域内の各周波数における減衰比を20Log(Vin/Vout)として計算し、測定結果をディスプレイにプロットします。
図23。インピーダンス測定セットアップ。パワーレール・プローブは、DCで高感度、高インピーダンスを提供し、低負荷用に50ΩのAC入力インピーダンスを備えています。または、利用可能な場合はP6150型プローブ、またはDCブロック付きSMAケーブルも使用できます。
インピーダンス測定
配電ネットワークのインピーダンスを特性評価することは、システム内のノイズの影響を判断するのに役立ちます。インピーダンス・カーブは、特定の周波数帯域におけるインピーダンス値を表します。DUTは、ボード・トレースとコンデンサを含むPDNの結合インピーダンスである場合も、電圧レギュレータ・モジュール（VRM）などのコンポーネントまたはサブシステムである場合もあります。
インピーダンス測定はVNAを使用して実行されることが多いですが、一般的なVNAは低周波数での測定や10 mΩ未満の低インピーダンス値の測定はできません。オシロスコープベースのシステムは、1 Hzという低い周波数まで測定できます。オシロスコープベースのソリューションでは、スイープ中にDUTからの入力信号と出力信号の両方を表示できるため、時間領域の変化を観測できます。
オシロも、解析を実行しながら、刺激信号と応答を含む時間領域波形を表示できるという利点があります。これはVNAではできません。
測定を実行するには、接地されたオシロスコープをDUTから絶縁する必要があります。図23に示すシステム例では、Picotest J2113A差動アンプ・トランスがこの目的に使用されます。50Ωのパワー・スプリッタを使用して、ファンクションジェネレータからの信号をDUTおよびオシロスコープのチャンネル1に送ります。
図24。インピーダンス対周波数測定プロット。曲線には、周波数を変化させるとインピーダンス値が変化する3つのピークがあります。目標は、すべてのピークが目標インピーダンスを下回るような、フラットなインピーダンス・プロットです。カーソルを使用して、曲線上の任意の点を測定できます。
出力解析
あらゆるDC電源の出力は、レギュレーションとノイズについて評価する必要があります。4/5/6-PWR拡張パワー測定／解析ソフトウェアには、リップルを定量化および分類するためのツールが含まれています。
電源／スイッチング・リップル
簡単に言えば、リップルは電源のDC出力に重畳されるAC電圧です。これは通常出力電圧のパーセンテージとして、またはピーク・ツー・ピーク電圧として表されます。
電源の出力に現れるリップルには2種類あります。ライン・リップルは、ライン周波数に関連するリップルの量を測定します。スイッチング・リップルは、特定したスイッチング周波数に基づいて、スイッチング電源出力から検出されるリップルの量を測定します。
出力のライン・リップルは通常、ライン周波数の2倍となりますが、スイッチング・リップルは通常、ノイズを含みkHzの周波数レンジになります。ライン・リップルとスイッチング・リップルを分離することは、電源特性評価における最大の課題の1つです。パワー解析ソフトウェアは、この作業を大幅に簡素化します。
測定の実行
システムのリップルを測定するには、電圧プローブのみが必要です。差動プローブは、出力のラインおよびスイッチング・リップル電圧を測定するために、システムの出力に接続する必要があります。
図25。5-PWRのライン・リップル設定タブ。
ライン・リップルおよびスイッチング・リップルの設定タブ（図25参照）は非常によく似ています。どちらのリップル測定でも、入力カップリング・モード（ACまたはDC）、必要な周波制限（20MHz、150/250MHz、またはFull）、およびオシロスコープのアクイジション・モード（サンプル、ピーク検出、またはハイレゾリューション（High Res））を選択する必要があります。ライン・リップル測定の場合、システムの電源周波数（50Hz、60Hz、または400Hz）を定義する必要があります。スイッチング・リップル測定では、スイッチング周波数の指定が必要です。
測定が設定されると、結果は「図26」に示すように表示されます。
**図26.**スイッチング・リップル結果。
測定結果
ピークtoピークおよびRMSリップル値：これらは、システムのラインまたはスイッチング・リップルのピークtoピークおよびRMS電圧値です。
図27。1つのAC電圧と電流を使用して入力電力を決定し、3つの出力で電力を同時に測定して合計効率を算出する効率測定。
効率
デバイスや製品の高効率は、今日の競争の激しい環境において、重要な差別化要因となります。拡張パワー測定／解析ソフトウェアを使用すると、電力変換（AC-DC、AC-AC、DC-DC、DC-AC）製品の効率を簡単に測定できます。最大3つの出力を持つパワー製品の場合、拡張パワー測定／解析ソフトウェアを使用すると、設計者はシステム全体の効率を一度にテストできるため、テストと検証の時間を短縮できます。
図27は、デモボードと演算信号を使用してマルチ出力デバイスをシミュレートした、1入力3出力のAC-ACコンバータでの効率測定の結果を示しています。それぞれの入力と出力の電圧と電流が測定されます（この場合はシミュレートされます）：
- Ch 3：入力電圧
- Ch 4：入力電流
- 第7章：出力1電圧
- Ch 8：出力1電流
- 演算3：出力2電圧
- 演算4：出力2電流
- Math 6: 出力3電圧
- Math 7: 出力3電流
上記の例で、カスタム・ラベルを使用すると、識別が容易になります。アプリケーション・ソフトウェアは、必要に応じて演算パワー波形を自動的に作成します。上記の例では、これらの波形は自動的に作成されました：
- 演算1: 入力1の電力
- 数学2: 出力1電力
- Math 5：出力 2 電力
- Math 8：出力3パワー
図28。効率測定の構成により、ユーザーは信号のタイプと最大3つの出力を構成できます。
アプリケーションは、被測定デバイスの個々の効率と総効率を計算し、結果バッジに表示します。結果テーブルを開き、レポートを.MHTまたはPDFフォーマットで保存することもできます。
図29。ターンオン時間測定は、入力電力の印加から定常状態の出力までの遅延を検出します。
オン時間
ターンオン時間とは、入力電圧が印加された後に電源の出力電圧に達するまでの時間です。入力の測定には1つのチャンネルを使用し、オシロスコープの残りのチャンネルはいずれも出力の測定に使用できます。これにより、1回のアクイジションで複数のパワーレールを測定できます。
**図30。**ターンオフ時間測定は、入力電源の除去とほぼゼロの出力との間の遅延を検出します。
オフ時間
オフ時間は、入力電圧が除去されてから、電源の出力電圧がゼロに近づくまでの時間です。
AC/DCおよびDC/DCターンオン時間測定の手法は、多出力電源のパワーアップおよびパワーダウン・シーケンスの検証にも拡張できます。
ターンオン/ターンオフ時の電源出力のタイミングとシーケンスは、最終製品の信頼性の高い動作にとって重要であり、デバイスが中断することなく機能することを可能にします。設計者は、UPSが規定時間内に定常状態に戻る場合など、最終デバイスを調整することに興味を持つでしょう。たとえば、バッテリが充電されてDC出力を連続的に生成し、インバータ・システムはAC主電源に継続的に充電します。電力供給が途絶えた場合、バッテリがインバータに電力を供給します。バッテリが規定時間内にアクティブになるように、ターン・オフ時間は重要です。
インバータ・ライドスルー解析
グリッド連系インバータ・システムには、系統の電力変動中に意図しない単独運転を防止するための単独運転防止機能を含めることが義務付けられています。これらの要件を満たすには、インバータの性能をCEA、IEEE 1547、EVS-EN 50549などの国際規格と照合して検証する必要があります。これらの規格には、系統の電圧低下や過電圧が発生した場合に、グリッド連系インバータ、または「スマートインバータ」がグリッドをサポートし続ける期間を指定するライドスルー・タイミングが含まれています。
4、5、6シリーズBオシロスコープ用パワー解析ソフトウェアは、自動ライドスルー適合性試験に対応しています。測定はGreen Power Analysisにあり、LVRT（低電圧ライドスルー）、HVRT（高電圧ライドスルー）が含まれます。
**図31.**拡張パワー測定／解析パッケージ (オプション) でグリーンパワー解析を利用できます。PWR)
両方の測定は、RMS電圧が通過してはならない「キープアウト」エリアを定義する電圧および時間マスクに基づいています。これらのマスクの制限は規格によって定義されており、カスタムマスクも定義できます。
系統電圧低下時の連系維持機能（LVRT）は、系統で電圧低下が持続した場合のインバータの性能を評価します。実効値系統電圧が指定されたレベルを下回ると測定が開始され、インバータが所定の時間、系統をサポートできない場合、オシロスコープが障害を検出します。
図32。低電圧ライドスルー測定の設定
同様に、高電圧ライドスルー（HVRT）は、過電圧系統事象発生時のインバーターの挙動を測るものです。この測定により、これらの外乱発生時におけるインバーターの応答が、仕様で定められた制限に従い、規定された電圧時間境界内に収まっているかどうかが特定されます。
測定の実行
この測定は図31に示すように測定パネルから追加され、いくつかのパラメータが含まれます。これはシングルショット測定であり、パラメータはスコープの設定に役立ち、サグまたは過電圧イベントの場合も同様です。
テスト規格を指定すると、パス/フェイルマスクが生成されます。なお、カスタムマスクを作成することもできます。
図33。これらの規格は、ライドスルー測定でサポートされています。また、マージン・テスト用や独自の規格をサポートするために、カスタム・マスクを定義することもできます。
公称RMS電圧は、オシロスコープで自動的に測定することも、手動で指定することもできます。測定構成の公称電圧メソッドがAutoに設定されている場合、Power Preset機能はインバータの連続出力波形を8サイクル取得し、それらを使用して垂直軸設定とトリガ設定を自動的に調整します。Nominal Voltage MethodがCustomに設定されている場合、システムは波形を取得せず、代わりにユーザー定義の単位当たり公称電圧に基づいて垂直軸設定とトリガ設定を直接適用します。
図34 。ライドスルー測定のデフォルトパネル。パワープリセットは、設定に基づいてオシロスコープを設定します。垂直軸スケールは、測定電圧（自動）またはユーザー指定の値（カスタム）に従って設定されます。選択された規格によって水平軸スケールが決定されます。測定（LVRTまたはHVRT）に基づいて、トリガーが適切なレベルでラントまたはエッジに設定されます。「Go」ボタンをクリックすると、オシロスコープはシングルショットのアクイジションに設定され、トリガーを待ちます。
設定後、「電源プリセット」ボタンをタップすると、断続的なグリッド電圧外乱を捕捉するために適切なスケールとトリガ設定が自動的に選択されます。「Go」をタップすると、オシロスコープがシングル・シーケンス用にアームされます。
測定結果
図35は、LVRT測定の結果の例を示しています。この測定は、最初の障害発生時の電圧と時間を示し、マスクヒットはRMS電圧測定トレース上に白で表示されます。
図35。実効値電圧違反がある低電圧ライドスルー障害。ライドスルー結果は、定義された電圧時間マスクに対して明確に表示されるため、コンプライアンスの問題を簡単に特定できます。テスト制限は、インバータの実効値電圧の回復の境界制限を定義するCEA、IEEE 1547-2003、IEEE 1547-2018（CAT-I、CAT-II、CAT-III）、EVS-EN 50549 CAT-I、およびカスタム規格によって定義されたマスクです。ライドスルー条件中にマスクに接触すると、テストは不合格となります。
レポート作成
データ収集、保存、文書化は、設計および開発プロセスにおいて、しばしば骨の折れる作業ですが、必要なタスクです。4/5/6-PWRには、測定結果の文書化を事実上容易にするレポート生成ツールが含まれています。
オシロスコープの「Save as」機能を使用すると、指定されたレイアウトの完成したレポートが生成され、オシロスコープ画面に表示されます。
図36。 レポートは.MHTまたは.PDFファイル形式で提供されます。
サマリ
4、5、6シリーズMSOオシロスコープの高度な電力測定および解析オプションを使用することで、エンジニアは短時間で、ほとんどセットアップなしに正確かつ再現性のある測定を行うことができます。さらに良いことに、手動で計算する必要はありません！オシロスコープ・アプリケーションが作業を行い、画面キャプチャとレポートを使用することで、エンジニアは機器のセットアップ方法、波形、測定結果に関する完全なドキュメントを簡単に提供できます。
お使いのアプリケーションにはどのプローブが適していますか？
4、5、6シリーズMSOオシロスコープは、適切なパワー・プローブと組み合わせることで、最高のパワー測定性能を発揮します。オシロスコープにはTekVPIプローブ・インタフェースが装備されており、オシロスコープとプローブ間の通信を可能にします。詳細については、www.tek.com/をご覧ください。推奨モデルの差動プローブ、電流プローブ（IsoVu絶縁プローブ、ロゴスキー・プローブを含む）、および必要なプローブ・アダプタに関する具体的な情報については、アクセサリをご参照ください。
