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技術情報:計測お役立ち情報

インピーダンス測定のトラブルと解決法

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。

 

測定の定義

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亘って、インピーダンス特性を知る必要があります。
通常のLCRメータでは、測定の周波数範囲が不足します。

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、旨くいきません。

LCRメータと測定電流→

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。
LCRメータでは、機器内部で電流を検出するので、特定部分だけのインピーダンス測定はできません。

解決法 

FRA(周波数特性分析器)を使うのが、最も確実な方法です。

FRAのしくみ→

 

FRA5097

周波数特性分析器 FRA5097

   

 

FRAから交流信号を注入し、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、測定する電流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。(負荷状態で測定できる)

測定原理

測定原理

 

実際の結線は下図のようになります。 

 

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)

電流を検出用の抵抗は、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。
 

スイッチング電源の出力インピーダンス測定

スイッチング電源の出力インピーダンス測定

 

 

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。 

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。
    例えば、FRA 5095の最大入力電圧は250Vrms/350Vpあります。そのうえ、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。
    さらに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。
    そして、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。
  • 電流の検出を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。
    例えば、電源の出力に負荷を接続することもできます。
    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。 

実測例

以下に実測例を示します。

スイッチング電源のインピーダンスと位相特性

スイッチング電源のインピーダンスと位相特性

 

 

この例では、出力回路の応答は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解ります。