オシロスコープとは

電圧の変化を時間軸でグラフとして表示できる測定器です。電子回路の動作を「波形」として可視化できるため、電源の評価には欠かせません。

なぜ波形測定が大切なのか

正直私自身、初めは「入出力の電圧はテスターで測れば十分なのではないか」と思っていました。しかし、スイッチングがうまく動作していなくても、出力が出てしまうこともあります。オシロスコープで波形を確認することで、「本当にICが正しくスイッチングしているか」「異常なノイズや発振がないか」など、テスターでは見えない部分までチェックできます。

初心者は特に設計をおこなう上で上手くいかないことが多くあります。その際にしっかりと“デバッグ”ができるか、がとても重要となります。そのデバッグの重要な要素としてオシロスコープでの波形測定があり、トラブル時の原因特定につながります。

評価ボードと測定環境

今回使用したのは、アナログ・デバイセズのLT8609A評価ボード「DC2958A」です。
この評価ボードは、メーカー推奨のレイアウトや部品配置が施されており、LT8609Aの性能を最大限に引き出せる設計になっています。

LT8609A評価ボードDC2958Aの回路図

なお、測定条件は以下の通り設定しています。

・入力電圧：12V

・出力電圧：5V

・出力電流：~2A

・スイッチング周波数：2MHz

オシロスコープ(Tektronix社MSO58)の紹介

測定には、Tektronix社のオシロスコープ「MSO58」を使用しました。

MSO58は高帯域・高分解能で、スイッチング電源の評価に最適なモデルです。

オシロスコープで測定する際のポイント(スイッチングや出力リップルなど)

　　

・プローブの接続：GNDリードをできるだけ短くし、測定点を正確に選ぶことでノイズの影響を最小限に抑えます。

・正確な波形の測定：波形を正確に捉えるため、ピンの直近で測定することが重要です。

　

参考にプロービングしている際の環境を以下に添付します。

スイッチングや出力リップル等のノイズの影響をなるべく抑えたい時は、以下のようにGNDリードを短くして測定することが大切です。

プロービング時の参考画像

1 入力電圧・出力電圧

図中のCH1は入力電圧、CH2は出力電圧を示しています。

入力12Vに対し、出力は安定して5Vを維持していました。入出力波形の測定は2Aでおこないました。

コメント：入出力電圧に関してはテスターでも確認できますが、オシロスコープで波形を観察することで、突発的なノイズや一時的なドロップも見ることができます。

2 スイッチング・出力リップル

図中のCH1は出力電圧(ACカップリング)、CH2はスイッチング波形を示しています。負荷は2Aです。

3 負荷過渡応答

図中のCH1は出力電圧(ACカップリング)、CH2は負荷電流を示します。

負荷電流を0.5A→1.5A→0.5Aと急峻に変化させた時の応答性と安定性を確認しています。具体的には、負荷電流を上げた時のアンダーシュートと下げた時のオーバーシュートの大きさ、設定値に戻るまでの時間、リンギングの有無を観測します。アンダーシュート/オーバーシュートは±150mV前後、設定値に戻るまでの時間は50us程度、リンギングがほとんどなく安定した回路と言えます。

コメント：負荷過渡応答が不十分な場合、出力コンデンサーと出力-FB端子間のフィードフォワードコンデンサーの容量の見直しで改善が見込めます。

測定結果（自作基板）

自作基板の出力リップルとスイッチング波形

図中のCH1は出力電圧(ACカップリング)、CH2はスイッチング波形を示します。

リップル電圧：評価ボードでは12mVp-p程度でしたが、私の基板では数百mVp-pに達しており、出力が不安定な状態でした。

スイッチング波形：評価ボードでは綺麗で周期的な波形が観測できましたが、私の基板では波形が乱れ、スイッチングが安定していないことが分かります。

コメント：出力電圧をテスターで測定した際は、狙いの電圧が出力されていました。しかし図をみると、スイッチングや出力が安定しないことが分かります。テスターでの測定では見られなかった問題が観測できました。今回の私の例で、いかにオシロスコープでの測定が大切か分かっていただけたのではないでしょうか。これらの原因は部品配置や配線など、設計上の要素にある可能性が高いです。評価ボードと比較することで、どこに問題があるのかを考えるきっかけになります。