簡単なDC電源効率測定方法について
多くの電子設計では、特定の電流負荷や条件において、既知の電圧を供給する電源が必要です。この場合、電源の効率は設計の重要な特性となります。より効率的な設計は、入力電力をより高い割合で出力電力に変換します。電源の損失の大部分は、電源内部で発生する熱として生成されるため、効率的な設計は通常、より冷却され、安定性が高く、長寿命となります。効率の向上は特に、遠隔IOTセンサーや長時間稼働が必要な通信モジュールのようなバッテリー電源が必要なアプリケーションにおいて重要です。
より効率的な設計を行うためには、電源効率を測定する方法を知る必要があります。本ノートでは、DC電源効率計算の基本理論を紹介し、重要なパラメータを正確に測定するための物理的セットアップを提示し、電源効率を迅速に計算するためのサンプルプログラムを提供します。
背景理論
電源の効率は、単に出力電力と入力電力の比率です。
パワーエレクトロニクス理論では次のように表されます:
η = Pout / Pin
ここで、ηは電力効率、Poutは出力電力（ワット）、Pinは入力電力（ワット）です。
DC電源の場合、 P = V * I
ここで、Pは電力（ワット = ジュール/秒）、Vはボルト（ジュール/クーロン）、Iは電流（アンペア = クーロン/秒）です。
したがって、入力電圧と電流消費量を測定すれば、入力電力を計算できます。
Pin = Vin * Iin
出力電圧と電流消費量を測定すれば、出力電力を計算できます。
Pout = Vout * Iout
ここで、単純な除算を行うことで、特定の負荷値における効率を比率として簡単に示すことができ、その値をパーセンテージで表示することができます。負荷値をステップごとに変え、各負荷値で効率を計算してプロットすることで、以下に示すような効率対負荷のカーブを算出することができます。
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図1: LTM4646のLinear Technologiesデータシートからの電源効率カーブのサンプル
セットアップ
このテストの最も基本的なセットアップは以下の通りです。
- 電源1台
- DC電子負荷1台
一般的に以下のように配線します。
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プロセス:
- DUT（被試験デバイス）に電源を供給する
- 特定の電流負荷に設定する
- 負荷電流の設定ポイントでVin、Iin、Vout、およびIoutを測定する
これは電子テストの中では最も簡単な方法の一つですが、このセットアップには2つの重要な考慮事項があります。
- DUTの効率カーブを正確に構築するために必要な負荷ステップ数はどれくらいですか？
- 計算の解像度と精度はどの程度必要ですか？
一般的な電力効率カーブでは、効率を正確に表現するために10以上の負荷電流ステップが必要です。このテストを手動で実行するのは、やや手間がかかり、エラーが発生しやすいです。時間を節約するために、コンピュータを使用してセットアップを自動化することを検討することをお勧めします。役立つかもしれないPythonを使用した例を以下に紹介します:
解像度の問題については、市販の電源やDC負荷の多くは3.5桁の測定解像度と精度を持ち、DUTを確信を持って特性評価するには十分でない場合があります。
これらの2つの考慮事項に対処するために、Vin、Iin、Vout、およびIoutを測定するために4つのマルチメータを追加し、機器の設定、負荷電流値のステップ、およびデータ収集を自動化するためのコンピュータプログラムを作成しました。
以下はセットアップの配線図です。
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以下は実験セットアップの写真です。SIGLENT SPD1168X、SDM3055sをIinおよびIout、SDM3045XsをVinおよびVout、そしてSDL1020X-E DC負荷を使用しています。
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DUTは、このビデオでロードステップテストに使用したLinear TechnologiesのLTM4646電源モジュールです。
注意: 負荷へのリードはできるだけ短くし、電流測定範囲で使用するDMMには低い電圧負担を選択してください。長いリードと高い電圧負担は、DUTが最大予想電流消費に達する前に出力電圧制限に達する原因となります。
まとめ
電源効率は、あらゆる電源設計において重要な側面です。いくつかの標準的なテスト機器を使用することで、最も要求の厳しいアプリケーションを測定するのに十分な解像度を持つモジュラーシステムを迅速に構築できます。