スイッチング電源の出力インピーダンス測定
一般に、電源の出力インピーダンスは、負荷抵抗をオン/オフさせたときの出力（直流）電圧の変化から簡易的に計算されています。しかし、このとき得られる値は、直流域における値（出力抵抗）に過ぎません。
インピーダンスの周波数特性は、負荷をオン/オフさせたときの出力電圧の過渡的な波形から演算によって求めることもできますが、一般には電圧の変化幅が小さいことや現実のスイッチング電源のインピーダンス特性が複雑であるため、精度の高い測定は望めません。
動作状態の電源の出力周波数特性を評価
電源の回路方式や並列コンデンサによって、出力インピーダンスは大きく変わります。インピーダンスの周波数特性を測定することで、回路や部品定数の最適値を見つけることができます。
問題点
一見、簡単に思える測定ですが、測定対象が自ら電圧を発生するため、LCRメータやネットワークアナライザ、インピーダンスアナライザなどを接続できません。
- 測定器に直流がかかる
測定は、電源の動作状態で行わなければなりません。したがって、測定器の測定端子に大きな直流が加わります。
この直流電圧のために、LCRメータやネットワークアナライザなどの入出力回路が飽和したり、壊れる危険があります。
直流をカットするためにコンデンサを挿入するとインピーダンス特性が異なってしまいますし、電源の出力インピーダンスが小さいので、コンデンサの容量が大きくなり、現実的ではありません。 - 広い周波数範囲での測定が必要
スイッチング周波数付近、あるいはそれ以上の周波数までの広い周波数範囲にわたって、インピーダンス特性を知る必要があります。 - 一端が接地されている
一端が接地された測定対象をLCRメータで測定すると、測定電流がバイパスされるため、うまくいきません。
- 並列インピーダンス
場合によっては、負荷を接続した状態での測定も必要になりますが、知りたいのは電源のインピーダンスです。負荷との合成インピーダンスではありません。
解決法
FRA(周波数特性分析器)を使う方法をご紹介します。
FRAから電源回路に交流信号を注入し、それによって電源を流れる電流と電圧降下（何れも交流）を検出します。
FRAからの信号は負荷抵抗にも流れますが、測定する対象は電源を流れる電流と電圧降下ですから、負荷のインピーダンスは測定の誤差にはなりません。（負荷接続状態で測定できる）
- 電流制限抵抗は、スイッチング電源の出力がFRAの信号源に過大に流入するのを防ぐためのもので、2～3mA程度になるように選択します。（電源出力24V、制限抵抗10kΩの時、電流は2.4mA)
- 電流検出用の抵抗は、周波数特性の良い抵抗を用意します。
- 値は1Ωにすれば、計算がシンプルになります。
- インピーダンスはCH1とCH2の比から求めることができます。
- 専用のオプションにより、インピーダンスを直読することも可能です。
実測例
メリット
- FRAの測定入力は高耐圧ですから、測定対象の出力によって飽和したり壊れてしまう心配がありません。
- オートレンジングなので、レンジ設定を間違えることがありません。
- 低周波領域でも直流結合されているので、結合コンデンサによる誤差がありません。
- 測定の周波数範囲が広いうえに分解能の高い測定ができます。
- 電流検出をFRAの外部（負荷の直近）で行うので、測定電流が他へ流出してしまうことはありません。
- CH2の入力は、グラウンドから浮いている抵抗の両端に接続されていますが、FRAの入出力は絶縁されているので問題ありません。
実測データ
この例では、出力回路の位相は10Hz近辺から低下し、インピーダンスが上昇しています。
100Hz以上では、出力端子からはキャパシタンスとして見えることも分ります。
