このラボチュートリアルでは、Moku:Go のオシロスコープ、スペクトラム アナライザ、およびプログラマブル電源を TPS63802EVM とともに使用して、望ましい動作条件で重要な仕様を確認する方法を説明します。これは、期待される供給条件に合わせて Moku:Go を迅速に設定できると同時に、出力特性を分析してテスト対象のモジュールがシステムで動作することを確認できるため、新製品の開発中に役立ちます。
Moku:Go
Moku:Go は、14 つのアナログ入力、2 つのアナログ出力、2 個のデジタル I/O ピン、およびオプションの統合電源を備えた 16 台の高性能デバイスに XNUMX 台以上のラボ機器を組み合わせています。
概要
スイッチモードコンバータは、さまざまな方法で実装される非常に一般的な電子システムであるため、アプリケーションに最適なコンバータのタイプを決定する必要がある設計者にとって、コンバータの品質を評価するための一連の標準測定値を用意することが重要です。 Moku:Go は、さまざまな機器を 1 つの環境に統合し、迅速な回路開発、テスト、検証を可能にするため、パワー エレクトロニクス設計者にとって理想的なテストおよび測定デバイスです。
データシートは、類似したタイプのコンバータを選択する際に役立ちますが、必要な動作条件がこれらのデータシートのグラフに常に示されているとは限りません。ここで評価モジュール (EVM) が役に立ち、回路の特性評価に Moku:Go と一緒に簡単に使用できます。 EVM が適切に動作していることを確認するには、最初に効率や負荷レギュレーションなどの主要な測定値をデータシートのグラフと比較することが重要です。このアプリケーションの目的は、Moku:Go、DC-DC コンバータ EVM、および電子 DC 負荷を迅速にセットアップして一般的なコンバータ特性を確認する方法を示すことです。
実験設定
コンポーネント
- モク：ゴ（M2モデル）
- TPS63802EVM
- Korad 電子負荷
このラボ チュートリアルの目的は、Moku:Go をオシロスコープ、電源、スペクトラム アナライザとして使用して、TPS63802 昇降圧コンバータの主要な仕様を確認することです。以下は、Moku:Go と電子 DC 負荷を使用して EVM ボードをセットアップする方法の手順です。
電子負荷と Moku:Go を使用した EVM セットアップ
まず、Moku:Go の PPSU3 (5 V/1 A) 電源を EVM の V に接続します。in J1 の GND ピンと EVM の V に接続します。でる J2 の GND ピンを DC 負荷に接続します。 DC 負荷を定抵抗 (CR) モードに設定しました。ここで、R負荷 今のところ = 10 Ω。
図 1: Full Moku:Go テストのセットアップ
この EVM にはいくつかの異なる動作モードがあるため、開始するには JP1 が PWM/PFM (パルス幅変調/パルス周波数変調) モードに設定され、JP3 が V を検出するように設定されます。でる。 EVM は、PCB 上で選択された R3.3 および R1 の値により、一定の 2 V 出力を持つように設定されます。
次に、Moku:Go の電源をとりあえず 4 V と 1 A の制限に設定します。
図 2: Moku:Go PPSU のセットアップ
最後に、ボードを有効にするには、JP2 のショート ジャンパを ON の位置に調整します。
EVM が動作していることを確認するには、Moku:Go の電源モニターと DC 負荷のモニターも調べて、指定されたテスト条件を使用して予想される 3.3 V にどの程度近づいているかを確認します。
図 3: PPSU と負荷のセットアップ
試験手順
コンバータの効率
効率の測定は、特に入力電力と出力電力を同時に監視できる 4 チャンネル オシロスコープにアクセスできない場合、かなり面倒になる可能性があります。 Moku:Go は、オシロスコープに電源用の電圧および電流モニターが内蔵されており、2 つの BNC 入力と併用して効率を迅速に測定できるため、この問題に対する XNUMX チャンネル ソリューションを提供します。 Moku:Go のアナログ フロントエンドから電源センサー データと電圧入力データの両方を読み取ることができる MATLAB または Python API を通じてこの測定を自動化するオプションもあります。手動による効率測定についてはここで説明します。
学部の研究室での一般的な効率測定は、以下のような表を使用して手動で行われます。in そして、Pでる データは、変化する出力電流にわたって記録されます。これらの測定は、Moku:Go のオシロスコープの演算チャネルを使用すると簡単になります。これは、2 つのチャネルを入力変数「A」および「B」として使用して方程式を直接入力できる関数エディター機能のおかげです。方程式エディタを使用して、シャント抵抗を使用した出力電力方程式をソフトウェアに直接入力します。この場合は Rシャント = 0.5 オーム。
図 4: 効率測定のためのオシロスコープのセットアップ
表 1: 負荷と V の変化に対する効率in
表 1 を Excel にプロットし、TI のデータシートの TPS63802 効率グラフと比較すると、これらの結果の精度は 4 ～ 5% 以内です。この損失は、Moku:Go および DC 負荷を使用したこのテストで使用されている長いケーブル ラインに起因すると考えられます。この昇降圧レギュレータは、異なる出力電流での動作モードに応じて効率が異なることに注目するのは興味深いことです。昇降圧モード (Vin = 3.3 V) は出力電流範囲全体で最高の平均効率を示しますが、降圧モード (Vin = 5.0 V) および昇圧モード (Vin = 3.0 V)、より高い電流とより低い電流でそれぞれ効率が向上します。
図 5: 手動入力を使用した効率グラフの比較
ロード・レギュレーションと負荷過渡応答
スイッチング レギュレータの品質を評価するもう 1 つの重要な尺度は、負荷レギュレーションとして知られる、出力電流の変化にもかかわらず出力電圧を一定に維持する能力です。
ここでVnl は無負荷状態での電圧、Vfl は全負荷状態での電圧です。このラボでは仕様をデータシートと直接比較しているため、負荷レギュレーションに同じテスト パラメータ (V) を使用することが重要です。in = 5 V、Vでる = 3.3 V、および Iでる 100 mA (無負荷) から 1 A (全負荷) まで。まず、以下の図 6 の負荷過渡グラフを見ると、無負荷状態と全負荷状態の間で出力リップルが大きく変化していることがわかります。出力リップルの平均を取ると、正確な V が得られます。fl とVnlただし、これらの測定値をそれぞれ個別に測定することが最善です。これにより、TI のデータシートから予想される出力リップル周波数と、Moku:Go で測定されている実際のリップル周波数を比較することもできます。これは、このリップル周波数が PWM または PFM モードのスイッチング周波数に関連しているためです。
図 6: Moku:Go によって測定された TPS63802 の負荷過渡応答
図 7: TI データシートからの TPS63802 負荷過渡応答
負荷過渡応答グラフはかなり似ており、どちらも軽負荷動作時には顕著なリップルを示し、その後、全負荷時には大幅に改善された出力リップルを示しています。これは、効率を向上させるために軽負荷時に PFM モードが有効になる TPS63802 の PWM/PFM 機能によるものです。負荷レギュレーション測定が正確であることを確認するには、PWM および PFM モード中の出力電圧波形を詳しく調べる必要があります。
下の図 8 は、軽負荷時の出力リップル電圧を示しています (Iでる = 100 mA)、PFM モードが有効になります。
図 8: PFM モードでの出力リップル電圧
Vpp このリップルは 110 mV と非常に大きいですが、この出力の平均は予想される 3.3 V に非常に近いです。nl = 3.313 V。また、リップル周波数が 135 kHz であることにも注目してください。これは、低負荷での PFM 動作時のスイッチング周波数について TPS63802 データシートと一致しています。
図 9: 標準的なインダクタのバースト周波数と出力電流 (PFM)
次に、全負荷時の出力リップルを調べます (Iでる = 1 A)、下の図 10 では PWM モードが有効になっています。
図 10: PWM モードでの出力リップル電圧
ここで、平均値はほぼ正確に予想される 3.3 V です。fl = 3.296 V となり、PWM 動作時のリップルはわずか 17 mV に大幅に減少します。リップル周波数は約 1.8 MHz で、TPS63802 データシートの予想スイッチング周波数とも一致しています。
表 2: 代表的な PWM スイッチング周波数 (降圧モード)
図 8 と 10 の平均値を使用すると、負荷レギュレーションは次のようになります。
これは、PWM/PFM モードが有効な降圧モード (ロー) 中に予想される負荷レギュレーションと再び一致します。
図 11: 負荷レギュレーション (PFM/PWM)
この負荷過渡グラフで注目すべき最後の興味深い点は、以下の図 12 に示す過渡期間中の出力電圧波形を観察するときです。
図 12: PFM から PWM モードへの過渡応答
Moku:Go の 30 MHz 帯域幅と 125 MSa/s サンプリング レートにより、TPS63802 モジュールが出力電流の変化に反応して PWM モードを有効にするまでにどれくらいの時間がかかるかが簡単にわかります。画面上のカーソルを使用すると、負荷過渡現象が始まる場所が基準として設定され、PWM モードが有効になっているときのピークに別のカーソルが配置されます。図 13 は、電流が 39 mA しきい値を超えて増加すると、モジュールが PFM モードから PWM モードに切り替わるのに約 100 µs かかることを示しています。
PWM スイッチング モードと PFM スイッチング モードの THD 比較
ここで、スペクトラム アナライザ機器に切り替えて、周波数領域での TPS63802 の出力の品質を確認してください。 Moku:Go のスペクトラム アナライザーは、より高い周波数でも最大の分解能帯域幅 (RBW) とサンプリング レートを保証するハイブリッド スーパー ヘテロダイン FFT を備えています。
電圧波形品質の標準的な測定値は、全高調波歪み (THD) であり、次のように定義されます。
ここで、V2n、rms は n 次高調波の RMS 電圧、Vファンド、rms は基本周波数の RMS 電圧です。 Moku:Go では、ユーザーが調整可能な RBW とピーク追跡スマート カーソルにより、この測定値を非常に簡単に取得できます。
この測定のテスト設定は V です。in = 4.2 V、Vでる = 3.3 V、および Iでる = 100 mA (出力電圧センサー ノードに接続された 14 つのスコープ プローブを使用)。この低電流では、コンバータは PFM が有効な降圧モードで動作します。以下の図 2.5 は、1 MHz スパンで調整された XNUMX kHz RBW で有効になったピーク トラッキング カーソルを示しています。 y 軸は、通常の dBm 単位から V に変更されました。実効値 より迅速な計算のために。
図 13: 5 次高調波までの THD 測定、THD = 5.2%
基本波電圧 Vファンド、rms = 4.750 V、コンバータが降圧モードで動作している場合、THD は 5.2% になります。また、125 kHz ごとの高調波も存在しており、これは PFM モードでの負荷過渡テスト中に観察されたリップルと一致します。
さあ、私を変えてくださいでる これを 500 mA にすると、PWM モードが有効になり、THD がどのように変化するかを確認できます。
図 14: 4 次高調波までの THD 測定、THD = 5.1%
コンバータの出力の THD はまったく変化していませんが、出力スペクトルの内容は変化しています。今でははるかに高い 2 が見られますnd 高調波ピークとその後の 250 kHz ごとのピークは、コンバータが現在 PWM モードで動作していることを示しています。これは、負荷過渡現象と合わせて、出力リップルと大きさが 2 つの要因に密接に関係していることを示すのに最適な演習です。nd 次数高調波の大きさと高調波周波数。
まとめ
このアプリケーションでは、Moku:Go と TPS63802EVM を使用した TPS63802 データシートの測定値が正常に比較され、Moku:Go がオシロスコープとプログラマブル電源の両方として機能し、さまざまな動作条件下で昇降圧コンバータの特性を迅速に評価できることが示されました。統合されたプログラマブル電源とオシロスコープを併用することで、EVMの動作条件を迅速に変更し、詳細な出力グラフとデータを取得して、効率と負荷レギュレーションの測定を確認することができました。これにより、設計者はアプリケーション向けの潜在的な IC を迅速にテストおよび検証したり、Moku:Go のソフトウェア定義インストルメンテーションを使用して独自の設計の特性を評価したりすることができます。
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