スイッチング電源評価は、製品の信頼性を高め、設計段階でそのポテンシャルを正しく評価する上で重要なプロセスです。評価の実施に際しては、その進め方への理解を深めておくことが求められます。本記事では評価試験の成功に向けたポイントや、トラブル回避のための対策を解説します。

スイッチング電源評価の目的と重要性

スイッチング電源の評価では、入力電力に対してどれだけ効率良く直流出力を得られるかを明らかにすると同時に、長時間の動作中に電圧変動や発熱が起こらないかをチェックします。

加えて、スイッチング動作特有の高周波ノイズやリップル成分が機器に悪影響をおよぼさないかどうかを確認することで、製品全体の信頼性と安全性を担保できます。

設計初期にこれらの性能ボトルネックを洗い出すことで、部品選定や回路定数の最適化を図り、後工程での手戻りコストを大幅に削減することが可能です。

とりわけ通信機器や医療機器、産業用装置のように、電源品質が製品の安定稼働を直接左右する領域では、評価結果が市場での差別化要因となります。

通信機器では信号品質を確保するためにリップルノイズを抑制しなければならず、医療機器では患者の安全を守る上で過渡的な電圧ディップやサージ耐性が不可欠です。

産業用装置でも、異常動作や予期せぬシャットダウンを未然に防ぐことでダウンタイムを最小化し、機器の稼働率を高めることが製品競争力の根幹を支えます。

スイッチング電源の構造

スイッチング電源はまず交流入力を整流・平滑する回路を通して直流電圧を生成し、次にスイッチング素子が高速でオン／オフ制御を行うことで電力を変換します。

スイッチング信号はトランスやインダクタを介して必要な電圧・電流レベルに変換され、最後に出力整流器と平滑コンデンサで安定した直流出力に整えられます。こうした高速スイッチングによって高い変換効率と小型化が可能になる一方、ノイズやリップルを適切に抑制する設計が不可欠です。

必要な測定機器と準備手順

電源評価においては、機器ごとに適切な接続・設定を行うことが大切です。以下を確認し、正確なパフォーマンス評価を実現しましょう。

オシロスコープの選定とプローブ接続

評価には帯域幅が十分に高いオシロスコープを選ぶことが重要です。最低でも数十MHzクラス以上、理想的には100MHz～200MHz帯域を持つモデルを用い、ノイズやリップル成分を鮮明に捉える必要があります。

差動プローブは高電圧や浮遊接地回路の測定に不可欠であり、出力整流後の波形やスイッチングノードの波形を正確に取得できるよう、被測定点に対してプローブをしっかり固定しておきましょう。

パワーアナライザーの設定と校正

効率や力率、THD（全高調波歪率）を正確に計測するには、パワーアナライザーの測定レンジとサンプリング周波数を適切に設定する必要があります。

過大レンジでは精度が落ち、過小レンジではクリップが発生するため、想定される最大・最小電力に合わせたレンジ選択を行うことが大切です。

また、計測前には必ずメーカー推奨の校正手順に従い、内部校正および外部基準器による校正を実施しておくことが、信頼性向上につながります。

電子負荷装置のモード設定と負荷シミュレーション

電子負荷装置を用いてスイッチング電源の出力特性を評価する際は、定電流モードと定抵抗モードを適切に切り替えながら負荷条件を変化させることがポイントです。

出力電流を一定に保つことで電流依存の挙動を確認し、抵抗値を一定にすることで電圧依存の特性を把握します。ステップ状に負荷を変化させ、スループットや電圧ドロップの発生タイミングを精密に記録しましょう。

アース処理とグラウンドループ回避

測定結果の信頼性を確保するには、グラウンドループを避けるアース設計が不可欠です。すべての測定機器と被測定装置は単一点アースで接続し、シールドケーブルを使用して外来ノイズの侵入を防ぎます。

さらに、フェライトコアをプローブケーブルに取り付けて高周波ノイズを吸収し、ループ電流による誤差を最小限に抑えることで、ノイズフロアの低いクリーンな測定波形を得ることが可能です。

試験を成功させるためのポイント

評価試験を成功に導く上では、以下のポイントを押さえておくことも大切です。実施前に目を通し、網羅しておくようにしましょう。

IEC 61000-4-2（静電気耐性試験）の注意点

静電気耐性試験では、接触放電と空間放電の両方を規定の電圧レベルおよび放電回数で行います。特に筐体や操作部のエクスポージャー面には重点的に放電を印加し、ユーザーが触れる部分でシステムが誤動作しないことを確認してください。

放電ガンの先端を確実に接触させること、また空間放電では5cm前後の距離を維持することも欠かせません。

IEC 61000-4-4（電気的ファストトランジェント試験）の注意点

電気的ファストトランジェント試験では、バーストパルスの幅と周期、および印加回数を規格通りに設定します。

試験中はリアクタやコンデンサなどの外付けコンポーネントを設け、実際の使用環境を再現しながら安定してパルスを印加できる配置を心がけることで、試験結果の再現性と信頼性が向上します。

IEC 61000-4-5（サージ耐性試験）の注意点

サージ試験では波形生成を正確に行い、試験電圧レベルと印加経路を網羅的にテストします。特に雷サージに相当する高電圧トランジェントは、内部保護回路やサージアブソーバーが正常に機能するかどうかの確認が必須です。

合格基準の明確化とログ管理

試験に合格するためには、試験中も継続的に基本機能を維持することと、サージやトランジェント後に再起動が可能であることの2点を最低要件として定義します。

試験中は電圧や波形データをCSV形式または専用フォーマットでリアルタイムに記録し、異常波形や停電情報を見逃さないようにします。

事後評価とレポート作成

すべての評価試験が終了した後、電源のオン・オフや動作テストを行い、異常箇所については再試験や対策案を検討します。

最終的に、試験条件、得られたデータ、合否判定、改善策を経営層や品質部門向けの報告書にまとめ、今後の設計・開発プロセスに反映させます。

評価中に起こりやすいトラブルと対策

スイッチング電源評価で最も厄介なのは、高周波ノイズの漏れに起因する測定誤差です。ノイズ成分がプローブケーブルや計測機器に侵入すると、リップル波形や高速過渡応答が正しく捉えられなくなります。

この対策としては、プローブ線全体をシールドケーブルで覆い、できるだけ短ループで配線することが有効です。さらにフェライトコアをケーブルに装着することで高周波ノイズを吸収し、測定フロアをクリーンに保つことができます。

また、電子負荷装置を用いた負荷シミュレーションでは、特定の電流レンジで挙動が不安定になりがちです。これは負荷容量が極端に偏った場合に装置が自動応答しきれなくなるためで、定電流モードと定抵抗モードを組み合わせて負荷容量を均等に分散させることで安定した動作を維持します。

試験中に過電流や過電圧が発生した際には、自動的に出力が遮断される保護機能が働きますが、これが頻発すると試験フローが中断して効率が低下します。

そのため、事前に保護回路のしきい値や復帰動作を十分に確認し、必要に応じて保護設定を一時的に解除またはリセットする手順を試験スクリプトに組み込むことが重要です。

このようにトラブルの発生原因を理解し、対策を設計段階から準備することで、評価作業をスムーズに進められます。