― オシロスコープ測定で「何を見て、何を判断するか」―
スイッチング電源の評価では、単に「電圧が合っているか」「電流が流れているか」を確認するだけでは不十分です。
重要なのは、
・電圧と電流がいつ変化しているか
・両者の位相関係がどうなっているか
・その結果として損失・ノイズ・発熱がどう決まるか
を理解することです。
本記事では、スイッチング電源を例に、オシロスコープで観測される電圧・電流・位相の関係を工程視点で解説します。
スイッチング電源における基本構造
スイッチング電源は、大きく見ると次の要素で構成されています。
・スイッチング素子（MOSFET 等）
・インダクタ（コイル）
・コンデンサ
・負荷
これらが高速にオン・オフを繰り返すことで、電圧変換や電力供給を行っています。
この「高速スイッチング」こそが、電圧・電流・位相の理解を難しくしている要因です。
オシロスコープでまず見るべき電圧
最初に確認すべきなのは、スイッチングノードの電圧波形です。
ここでは、
・急峻な立ち上がり／立ち下がり
・オーバーシュート、リンギング
・スイッチング周波数
といった特徴が観測されます。
この電圧波形は、後述する電流波形や損失評価の基準になります。
スイッチング電流の特徴
スイッチング電源に流れる電流は、直流ではなく強い脈流成分を含む電流です。
特に重要なのは、
・MOSFET 電流
・インダクタ電流
・入力側／出力側のリップル電流
です。
これらの電流は、電圧と同時には変化しない点が重要です。
インダクタが生む位相遅れ
スイッチング電源では、インダクタの存在が位相関係を大きく左右します。
インダクタは、
・電流の変化を嫌う
・電圧が変化してから電流が追従する
という性質を持っています。
そのため、オシロスコープ上では、
・電圧が先に変化
・電流が遅れて変化
という波形関係が観測されます。
コンデンサが生む位相先行
一方、コンデンサに流れる電流は、・電圧変化に先行するという特性を持ちます。
スイッチング電源では、
・入力コンデンサ
・出力平滑コンデンサ
に大きなリップル電流が流れます。
この電流の位相を誤解すると、コンデンサの発熱・寿命評価を誤る原因になります。
電圧・電流・位相が損失を決める
スイッチング電源で最も重要なポイントの一つが、電圧と電流が同時に大きくなる瞬間です。
MOSFET の損失は、
・電圧が高い
・電流が大きい
この2つが重なる時間によって決まります。
オシロスコープで電圧と電流を同時に観測し、位相関係を確認することで、
・スイッチング損失
・ターンオン／ターンオフ損失
を定性的・定量的に評価できます。
オシロスコープでの位相確認方法
位相関係は、以下の方法で確認します。
・電圧を CH1、電流を CH2 に入力
・同一時間軸で同時表示
・立ち上がり点やピーク位置の時間差を確認
時間差 Δt と周期 T から、位相差は次のように求められます。
位相差［°］＝（Δt / T）× 360
電流プローブ使用時の注意点
スイッチング電源測定では、電流プローブの選定と使い方が非常に重要です。
注意すべき点は以下です。
・帯域がスイッチング周波数に十分か
・DC 成分が測定できるか
・ゼロ調整が正しく行われているか
これらが不適切だと、位相関係やピーク電流を誤って判断してしまいます。
スイッチング電源測定でよくある誤解
電圧波形だけで動作を判断する
平均電流だけを見て安心してしまう
位相のずれを「ノイズ」と誤解する
帯域不足のプローブで測定してしまう
これらは、現場で非常によく見られる誤りです。
T&M視点での実務チェックポイント
スイッチング電源評価では、以下を意識してください。
・電圧・電流・位相を必ずセットで見る
・どの素子の電圧／電流かを明確にする
・損失や発熱と波形を結び付けて考える
・測定系（プローブ・帯域・GND）を疑う
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