電源の過渡回復時間の理解と測定

このファイルタイプには、該当する場合、高解像度のグラフィックと回路図が含まれます。

Keysight Technologies、電力およびエネルギー部門、製品プランナー、Bob Zollo
電源装置の過渡回復時間は、DC電源装置の仕様です。 これは、電源装置が電源装置の出力の過渡負荷状態からどれだけ早く回復するかを示しています。   


定電圧で動作する理想的な電源装置では、負荷によって電源装置から引き出される電流に関係なく、出力電圧はプログラムされた値のままになります。 ただし、実際の電源装置は、負荷電流が急激に上昇すると、プログラムされた電圧を維持できません。


電流の急激な上昇に応答して、電源レギュレーションフィードバックループが電圧をプログラムされた値に戻すまで、電源電圧は垂下します。 値がプログラムされた値に戻るのにかかる時間は、負荷過渡回復時間です（図1）。


負荷電流トランジェントが高速トランジェントではなく、ゆっくりと上昇または下降する場合、電源レギュレーションフィードバックループは、目に見えるトランジェントなしで出力電圧をレギュレートおよび維持するのに十分な速さであることに注意してください。 電流過渡のエッジ速度が増加すると、電源フィードバックループが電圧を「維持」して一定に保つ能力を超え、負荷過渡イベントが発生します。


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1.負荷過渡回復時間は、負荷電流の「Z」アンペアステップ変化に続いて、出力電圧が回復し、公称出力電圧の「Y」ミリボルト以内にとどまる時間「X」です。 「Y」は指定された回復帯域または整定帯域であり、「Z」は指定された負荷電流の変化であり、通常は電源の全負荷電流定格に等しくなります。




電源の過渡回復時間は、負荷電流の過渡の開始から電源が落ち着き、再びプログラムされた値に達するまで測定されます。 ただし、「プログラムされた値に達する」と指定する場合は常に、許容範囲内に指定する必要があります。 したがって、電源の負荷過渡回復時間は、プログラム値の数パーセント、定格出力の数パーセント、または固定電圧許容帯域に達するのに必要な時間として指定されます。 この表は、電源の過渡仕様の例を示しています。  


Keysight N7952A電源を見ると、過渡回復時間の許容範囲が100mVとして指定されていることがわかります。 過渡回復時間を測定する場合、出力電圧が25 Vの場合、電源が100V付近で±25mV以内に回復するのにかかる時間を測定する必要があります。






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パワーアンプは、過渡回復時間が重要である理由を例示しています


DC電源の過渡応答が重要なアプリケーションの例を見てみましょう。 モバイルデバイス（携帯電話やタブレットなど）で使用されるパワーアンプ（PA）をテストする場合、テスト対象デバイス（DUT）へのDCバイアス電圧を固定された安定した電圧に保つことが非常に重要です。 テスト中に電圧が変動または変化した場合、適切なテスト条件が維持されず、結果として得られるDUTのRF電力測定値は正しくありません。     


このPAの場合、現在のプロファイルのために状況が悪化します。 PAはパルスで送信するため、DCバイアスからパルスで電流を引き出します。 これらのパルスのエッジレートは速いため、DCバイアスに大きな負荷過渡が発生します。 PAがパルスオンするたびに、大電流が流れ、DCバイアス電源が引き下げられます。 電源はすぐに回復します。 ただし、電源がトランジェントに応答している間、その電圧はテストに必要な値ではありません。 電源が回復すると、PAは適切なテスト条件下で動作するため、適切なRF電力測定を行うことが可能になります。 


毎年何十億ものPAが製造およびテストされているため、テストスループットは非常に重要です。 電源の回復が遅い場合、PAにテスト時間が追加されるため、製造テストのスループットが低下します。 したがって、PAメーカーは、最大の製造テストスループットを確実に達成できるように、高速リカバリ電源を探しています。 彼らは、過渡回復時間の仕様を調べて、アプリケーションに最適な電源を決定します。 したがって、電源ベンダーは、PAメーカーに可能な限り最良の仕様を提示するために、電源の過渡回復時間を正確に測定できる必要があります。


過渡回復時間の測定


負荷過渡回復時間を測定する際の難しい部分は、電圧が許容帯域に入るタイミングを決定することです。 平均電圧計は、DC出力電圧が許容範囲内にあるかどうかを簡単に測定できます。 ただし、これは低速の機器であり、電圧が許容範囲に入る速さを示す適切な分解能で意味のある時間測定を行うのに十分な速さでサンプリングすることはできません。


平均電圧計を超えて見ると、特定の高速電圧計は、電源電圧が許容範囲に正確に入るタイミングを検出するのに十分な精度で、毎秒数万の読み取り値を測定できます。 そのような例の34470つは、Keysightの50ADMMです。 過渡回復時間が改善されると、これらの電圧計は、XNUMX ksamples / sでデータをキャプチャする場合でも、速度が遅くなり、高速回復時間をキャプチャできなくなります。  


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スコープは、非常に高速なトランジェントを簡単にキャプチャして視覚化できるため、使用するのに適したツールになります。 ただし、平均的なスコープは通常、1％〜3％の垂直精度と8ビットの解像度を備えています。 その結果、DC出力電圧が狭い許容帯域に達したときに正確に特定するのに十分な垂直精度と分解能を提供するのに苦労します。 


スコープをAC結合に入れることにより、許容範囲を拡大しようとします。 ただし、AC結合により、過渡後の安定したDCレベルが歪むため、エラーが発生します。 これにより、安定したDC電圧がAC結合によって「プルダウン」されるため、許容帯域内の過渡後のDCレベルを正確に特定することが困難になる可能性があります。


別のオプションは、スコープをDC結合のままにすることですが、許容範囲を拡大するために、スコープで大きなDCオフセットを使用します。 これは、0〜10 VレベルのDC出力でうまく機能しますが、DC出力が上昇すると、DCオフセットも上昇する必要があります。 大きなDCオフセットでは、大きなDCオフセットをサポートするために最小ボルト/目盛りも増加する必要があり、その結果、許容帯域での測定分解能が低下します。  


電圧許容帯域が広い電源の場合、スコープを使用してこれらの測定を行うことができます。 実際、Keysightオシロスコープは、ターンキー操作を介して過渡応答測定を行う組み込みの電力分析ソフトウェアを提供します（www.keysight.com/find/scopes-powerを確認してください）。 10ビットまたは12ビットの分解能を備えた最高性能のスコープは、より柔軟性があり、より高度なフロントエンドを備えているため、狭い電圧許容帯域でもこれらの測定を行うことができます。 ただし、これらのスコープは、平均的なラボベンチでは一般的ではありません。


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2. Keysight IntegraVision Power Analyzerのこのスクリーンショットは、電圧過渡回復時間の測定値を示しています。




電圧許容範囲が狭い電源の場合、シングルショット測定機能があれば、高性能電力品質アナライザでこの測定を行うことができます。 トランジェントは電流パルスの立ち上がりエッジによってトリガーされるシングルショットイベントであるため、シングルショット測定が必要です。 または、電流が高電流値と低電流値の間でジャンプする方形波など、繰り返し負荷電流トランジェントを生成できる場合は、シングルショット測定なしでパワーアナライザを使用して、繰り返しトランジェントイベントをキャプチャできます。  


高性能パワーアナライザは、0.1％を超える垂直精度、16ビットの分解能、および1 Msample / s以上のデジタル化速度を備えています。 高速デジタル化と正確な電圧測定のこの組み合わせにより、電源負荷の過渡応答を簡単に測定し、狭い許容帯域に到達したときを特定できます。 パワーアナライザはプローブなしで電圧と電流を直接測定できるため、電流の立ち上がりエッジからトリガーするようにこの測定をすばやく設定して、電圧回復時間を測定できます。  


この機能を備えたパワーアナライザーの2つがIntegraVisionパワーアナライザー（図5）です。これは、電圧と電流の両方で同時に16ビットでデジタル化するシングルショット0.05 Mサンプル/秒を10％の基本精度で提供し、すべて大きなカラータッチスクリーンに表示されます。 。 測定は、2Aと8Aの間でパルス化されている100V電源で行われます。 その過渡回復帯域は±XNUMXmVです。


IntegraVisionの10.1つのYマーカーを使用して、電圧許容帯域の上部（9.9 V）と下部（1 V）を識別できます。 次に、2つのXマーカーを使用して、マーカーX1を使用して電流波形でトランジェントが開始するタイミングと、マーカーX2を使用して電圧が許容帯域に入るタイミングを識別できます。 X90.4とXXNUMXの時間差は、XNUMXμsとして測定される過渡回復時間です。

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