スイッチングレギュレータの過渡応答を測定する方法は？

スイッチングレギュレータの安定性を理解するために、負荷過渡応答を測定する必要があることがよくあります。 したがって、過渡応答の測定方法を学ぶことは、エレクトロニクス分野のエンジニアにとって不可欠です。 

このシェアでは、負荷過渡応答の定義、測定の主なポイント、FRAを使用した過渡応答の測定方法、およびスイッチングレギュレータの負荷過渡応答の測定と調整の実際の例について説明します。 過渡応答を測定する方法がわからない場合は、この共有を通じてメソッドのコツをつかむことができます。 読み続けましょう！

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コンテンツ

● 負荷過渡応答とは何ですか？

● 過渡応答を評価する際の5つのキーポイント

● 過渡応答を評価する方法は？

● 過渡応答の調整例

● よくある質問

● まとめ

負荷過渡応答とは何ですか？

負荷過渡応答とは、急激な負荷変動に対する応答特性、つまり、出力電圧が下降または上昇してから設定値に戻るまでの時間と、出力電圧の波形です。 これは、負荷電流に対する出力電圧の安定性に関係するため、重要なパラメータです。

負荷レギュレーションとは対照的に、名前が過渡状態の特性を意味するように、それはそうです。 実際の現象は以下のグラフで説明しています。

グラフについて注意すべき点がいくつかあります。

●左のグラフの波形では、負荷電流（下の波形）がゼロから急激に上昇し、立ち上がり時間（tr）は1 µsecです。 

●一方、出力電圧（上段波形）は一瞬低下し、その後急激に上昇し、定常電圧をわずかに上回り、再び安定状態に低下します。 

●負荷電流が急激に低下すると、逆の反応が発生することがわかります。

やや形式的でない方法で物事を説明するには：

●負荷が大きくなると、急に多くの電流が必要になり、出力電流が十分に速く供給されないため、電圧が低下します。 

●この動作では、降下電圧を設定値に戻すために最大出力電流を数サイクル供給しますが、供給量が多すぎて電圧が少し高くなるため、供給電流が低下します。プリセット値に到達するように。 

これは、の説明として理解する必要があります 通常の過渡応答。 他の要因や異常がある場合は、これに加えて他の現象も含まれます。

理想的な負荷過渡応答では、数回のスイッチングサイクル（短い時間）にわたる負荷電流の変動に対する応答があり、出力電圧降下（上昇）は最小限に抑えられ、最小限の量でレギュレーションに戻ります。時間。 

つまり、グラフのスパイクのような過渡電圧の発生は、非常に短時間で発生します。 中央のグラフは負荷電流の立ち上がり/立ち下がり時間が10µsecの場合、右側のグラフは100 µsecの場合です。 これらは、負荷電流のより穏やかな変動が、出力電圧の変動をほとんど伴わずに、応答追従を改善する結果となる例です。 ただし、実際には、回路の負荷電流の過渡動作を調整することは困難です。

電源の過渡応答特性について説明しましたが、基本的にはオペアンプの周波数特性（位相余裕とクロスオーバー周波数）と同じと考えることができます。 電源制御ループの周波数特性が適切で安定していれば、出力電圧の過渡変動を最小限に抑えることができます。

過渡応答特性

過渡応答を評価する際の5つのキーポイント

電源の過渡応答を評価する際に覚えておくべき重要なポイントを以下に要約します。

●スタンバイ状態からウェイクアップへの移行時など、負荷電流の急激な変動に対する出力のレギュレーションと応答速度を確認してください。

●周波数応答特性を調整する必要がある場合は、ITHピンで調整してください。

●位相マージンとクロスオーバー周波数は、観測された波形から推測できますが、 周波数応答アナライザーを使用する （FRA）便利です。

●インダクタの飽和、電流制限機能などにより、応答が正常動作か異常かを判断します。

●必要な応答特性が得られない場合は、別途制御方法や周波数、外部定数の設定などを検討してください。

過渡応答を評価する方法は？

具体的な評価方法を説明します。 

●実験を行う場合は、負荷電流を瞬時に切り替えることができる回路または装置を電源回路の出力に接続して評価し、 評価に役立つオシロスコープを使用できます 出力電圧と出力電流を観察します。 

●実機の応答を確認する場合など、CPUなどがスタンバイ状態からフル稼働状態に移行する状態を作成し、同様に出力を観察します。

評価を行う上での重要なポイントは上記のとおりです。 位相マージンとクロスオーバー周波数は、観測された波形から常に推測できますが、これはかなり面倒です。 

最近、周波数応答アナライザ（FRA）と呼ばれる測定装置が広く使用されるようになり、非常に単純な電源回路の位相マージンと周波数特性を測定するために使用できます。 FRAの使用は非常に効果的です。

実際には、実験で使用できる瞬間的な大電流オンオフスイッチングが可能な適切な負荷デバイスがない場合は、右のようにMOSFETがスイッチングされる単純な回路を使用できます。 もちろん、trとtfを決定する必要があります。

トランジェントの調整例

一部のスイッチングレギュレータICには、応答特性を調整するためのピンがあります。 多くの場合、ITHと呼ばれます。 ICのデータシートに示されているアプリケーション回路では、これらの条件下でITHピンに接続されるコンデンサと抵抗の多かれ少なかれ妥当なコンポーネント値と構成が示されています。 本質的には、これを出発点とし、実際に製造される回路の要件を満たすように調整を行います。 コンデンサを固定し、抵抗値を変えることから始めるのがおそらく最善です。

以下は、FRAを使用して得られたオシロスコープの波形と周波数特性分析グラフです。ITHピンのコンデンサの容量が固定され、抵抗値が調整済み。

①R3=9.1kΩ、C6 ＝ 2700pF（基本的には推奨値を使用して適切な応答と周波数特性が得られます）

②R3=3kΩ、C6 ＝ 2700 pF

※R3の抵抗値を下げると帯域が狭くなり、負荷応答が悪化しました。 動作自体に問題はありませんが、位相余裕が大きすぎます。

③R3=27kΩ、C6 ＝ 2700 pF

※R3抵抗を上げることにより、帯域を広げて負荷応答を改善しますが、電圧変動時にリンギングが発生します（波形部分拡大）。

位相余裕が小さく、散乱によっては異常発振が発生する場合があります。

④R3=43kΩ、C6 ＝ 2700 pF

※R3の抵抗値をさらに上げると異常発振が発生します。

上記は、ITHピンを使用した応答特性の調整例です。 本質的に、 出力電圧で発生する過渡電圧 完全に排除することはできませんので、電流が供給されている回路の動作に問題が生じないように調整してください。

よくある質問

1. Q：スイッチングレギュレータの利点は何ですか？ 

A：直列要素が完全にオンまたはオフになっているため、スイッチングレギュレータは効率的であり、電力をほとんど消費しません。 リニアレギュレータとは異なり、スイッチングレギュレータは、入力電圧よりも高い出力電圧または反対の極性の出力電圧を生成できます。

2. Q：XNUMX種類のスイッチングレギュレータとは何ですか？ 

A：スイッチングレギュレータは、昇圧レギュレータ、降圧レギュレータ、インバータレギュレータのXNUMX種類に分けられます。

3. Q：スイッチングレギュレータはどこで使用されますか？ 

A：スイッチングレギュレータは 過電圧保護、携帯電話、ビデオゲームプラットフォーム、ロボット、デジタルカメラ、コンピューター。 スイッチングレギュレータは複雑な回路であるため、アマチュアにはあまり人気がありません。

4. Q：スイッチングレギュレータを選択するにはどうすればよいですか？

A：スイッチングレギュレータを選択する際に考慮すべき要素：

●入力電圧範囲。 これは、ICがサポートする入力電圧の許容範囲を指します。

●出力電圧範囲。 スイッチングレギュレータは通常、可変出力を備えています

●出力電流

●動作温度範囲

●ノイズ

●効率

●負荷調整

●パッケージと寸法。

まとめ

このシェアでは、負荷過渡応答の定義とその測定方法を理解し、実際の例を学びます。 このスキルは、スイッチングレギュレータなどの負荷の安定性の問題を効果的に検出し、回路の安全性のリスクを回避するのに役立ちます。 今すぐ過渡応答を測定してみてください！ 過渡応答測定についてもっと知りたいですか？ 以下にコメントを残して、あなたのアイデアを教えてください！ この共有があなたに役立つと思うなら、このページを共有することを忘れないでください！

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