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省エネルギーのための電子技術専門誌
省エネルギー
ネーのの めの電のため
電子技術専門誌No.

10Green Electronics

エコロジー時代の高効率スイッチング・レギュレータに対応する電源回路の測定＆評価技法■周波数特性分析器（FRA）を用いたスイッチング電源の評価●高速負荷応答DC-DCコンバータ・モジュールBR200シリーズ

第1章
JEITA 規格 RC-9131B をベースとしてスイッチング電源の試験方法と自動化手法
山崎 克彦

Yamazaki Katsuhiko

この章では，JEITA（電子情報技術産業協会）刊行のスイッチング電源試験規格 RC-9131B をベースとした，スイッチング電源の試験方法と，その自動化手法の概要について紹介します．

から広く一般に公開しており，規格内容の閲覧が可能となっています（印刷，複写は不可）．
http://www.jeita.or.jp/japanese/public̲standard/

スイッチング電源の試験項目
スイッチング電源の試験方法● JEITA とは
JEITA（Japan Electronics and Information
Technology Industries Association）は， 電 子 機 器，電子部品の健全な生産，貿易および消費の増進を図る
ことにより，電子情報技術産業の総合的な発展に資し，我が国経済の発展と文化の興隆に寄与することを目的とした業界団体です（下記 JEITA サイトより抜粋）．
http://www.jeita.or.jp
なお，JEITA では数多くの規格書を刊行しており，電源部品事業委員会，技術ワーキング・グループにより『スイッチング電源試験方法（AC-DC）：RC-9131B』などが発行されています．
● スイッチング電源に関する JEITA 規格
現在 JEITA から発行されているスイッチング電源関連の規格には以下のようなものがあります．
（1）スイッチング電源用変圧器試験方法：RC-2726（2）スイッチング電源通則（AC-DC）：RC-9130B（3）スイッチング電源試験方法（AC-DC）：RC-9131B（4）スイッチング電源試験方法（DC-DC）：RC-9141（5）スイッチング電源通則（DC-DC）：RC-9143（6）スイッチング電源トランス・コイル用語集：RC2701A（7）スイッチング電源用語集：RC-9101B（8）スイッチング電源の部品点数法による信頼度予測
推奨基準（スイッチング電源の MTBF JEITA 推奨算出基準）：RC-9102B（9）スイッチング電源の保守・点検指針：RC-9103A（10）スイッチング電源の安全アプリケーションガイ
ド：RC-9105A
JEITA では，このような規格書をウェブ・サイト

4

第1章

スイッチング電源の試験方法と自動化手法

JEITA RC-9131Bの電気的試験項目は，項1の「力率」から始まり，項 37 の「雑音電界強度」まで 37 項目あります．ここでは，これらのなかからいくつかの試験項目について解説します．
● 効率測定（RC-9131B 7.2 項）
RC-9131B は，AC-DC コンバータの試験方法について規定したものであり，AC（交流）から DC（直流）に変換するときの「変換効率」の測定方法について規定しています．
図 1 のように，供試電源（試験対象のスイッチング電源）の入力側に交流安定化電源と交流電力計を接続し，出力側のすべてのチャネルに電圧計，電流計および負荷装置を接続します．
【試験手順】① 負荷装置により定格負荷などの電流を流した状態で交流電力計により入力電力を測定する② すべての出力の電力（電圧 × 電流）の総和を求める③ 以下の計算式により効率を求める
効率［％］＝出力電力の総和 ÷ 入力電力 ×100
入力電圧波形は図 2 のようにパルス状になっていた
り，歪んでいることが多いため，電圧および電流波形の瞬時値の掛け算を行って積分する方式の電力測定器の使用を推奨しています．
▶電圧降下について電源の出力と負荷を接続した場合，接続に使用するケーブルの電気抵抗R C によって電圧降下E D が発生します．
仮にケーブルの電気抵抗 R C が 10 mΩで，そこに10 A の電流I を流した場合，

ED ［V］＝I RC＝ 10 A×10 mΩ＝ 100 mV

特集

入力電圧測定は電圧降下の影響を避けるために供試電源の入力端で測定する

電源回路の測定＆評価技法

出力電圧測定についても電圧降下の影響を避けるために供試電源の出力端で測定する負荷装置 1

交流安定化電源

VAAVW

負荷装置 2VA

供試電源

…

交流電力計

負荷装置 NAV

N ：供試電源の出力チャネル数

図 1（1） 効率測定の回路例
リモート・センス入力（＋S，ーS）
入力電圧波形
入力電流波形（PFC 付き）

直流電源出力（＋，ー）
直流電源

負荷の入力端子
＋S
＋

負荷ーーS

入力電流波形（PFC なし）

図 2（1） 入力電圧・電流波形の例

図3となり，プラス側とマイナス側のケーブルがあるので100 mV×2 ＝ 200 mV の電圧降下が発生することになります．したがって，電源の出力端で 5.0 V 出力していても，負荷の入力端では 4.8 V に低下することになりますので注意が必要です．
言うまでもありませんが，効率測定回路において，交流電源の出力から供試電源の入力までのケーブルでも同様の電圧降下が発生します．

圧を基準としてプラス側（またはマイナス側）に変動し，このときの出力電圧の安定度を調べるものです．
図 4 のような試験回路で，すべての出力の負荷電流は基準値（最大電流など）に設定します．入力電圧（交流電源の出力電圧）に変化を与えるまえの電圧をE 0 と▶リモート・センス
市販の直流電源，交流電源，電子負荷装置などの多くはケーブルの電圧降下ぶんを補正するために「リモート・センス」機能をもっています．
直流電源の場合，図 3 のように負荷の入力端子の電圧をリモート・センス機能によりセンス（測定）し，電圧降下ぶんを補正した出力電圧になるよう動作します．
つまり，電圧降下が 0.2 V の場合，0.2 V を上乗せした電圧が直流電源から出力されることになります．
リモート・センス入力の接続を忘れたり何らかの理由で外れたりした場合，補正の上限電圧が出力されて負荷に過大な電圧をかける恐れがありますので注意が必要です．

ΔE ［V］＝E 1 −E 0
または，E 1 −E 0
ΔE ［％］＝×100E0▶負荷電流の設定について最小負荷と最大負荷に設定した場合で（変動測定結果の）絶対値の大きいほうを採用するか，正と負の結果がある場合にはその両方を試験結果とします．

● 静的入力変動（RC-9131B 7.7 項）
この試験は，スイッチング電源の入力電圧を定格電

リモート・センス接続例

し，変化を与えてから過渡変動が収束したあと 10 秒以内に出力電圧 E 1 を測定します．このときの静的入力変動ΔE は，次の式で表されます．

● 静的負荷変動（RC-9131B 7.8 項）
静的入力変動試験では入力電圧を変動させましたが，この試験では入力電圧は一定とし，出力の負荷電流を変動させます（試験回路は静的入力変動と同じです）．
負荷電流に変化を与えるまえの出力電圧を E 0 とし，変化を与えてから過渡変動が収束したあと 10 秒以内に出力電圧E 1 を測定します．このときの静的負荷変動

スイッチング電源の試験項目

5交流安定化電源

負荷装置 1VAA

V

負荷装置 2VA供試電源…
負荷装置 NA

V

N ：供試電源の出力チャネル数

図 4（1） 静的入力変動試験の回路例

ΔE は静的入力電動と同様に，以下のように表します．
ΔE ［V］＝E 1 −E 0
または，E 1 −E 0
ΔE ［％］＝× 100E0▶入力電圧の設定について最小入力電圧と最大入力電圧に設定した場合で（変動測定結果の）絶対値の大きいほうを採用するか，正と負の結果がある場合にはその両方を試験結果とします．
● 動的入力変動（RC-9131B 7.13 項）
静的入力変動試験では入力電圧を静的に（ゆっくり）変動させましたが，動的入力変動試験は入力電圧を図5 のように急激に変動させるものです．
このように，入力電圧を急激に変動（急変）したときの出力電圧波形を観測するもので，試験回路は図 6 のようになります．
急変機能を内蔵した交流安定化電源により入力電圧を急激に変化させ，このときの出力電圧波形をオシロスコープなどで観測します．一般に，急変機能をもった交流安定化電源には急変に同期したトリガ出力を装備していますので，オシロスコープのトリガは交流安定化電源のトリガ出力を利用します．
動的入力変動の試験手順は，基準状態（定格電圧，定格電流など）で出力電圧E 0 を測定し，次に入力電圧入力電圧波形

eU

出力電圧波形eUeLeL

図 5（1） 動的入力変動試験の波形負荷装置 1VVA

交流安定化電源

供試電源

オシロスコープ

急変機能内蔵負荷装置 2…
負荷装置 NN ：供試電源の出力チャネル数

図 6（1） 動的入力変動試験の回路例

6第1章

スイッチング電源の試験方法と自動化手法

定し，その後，図 8 のように出力電流を定格負荷と 50のように表します．

％負荷の変化幅で変化させ，動的入力変動試験と同様

δE ［V］＝＋e U ，−e Lに，出力電圧の変動値（e U ，e L ）を測定します．
このときの動的負荷変動試験結果 δE は，動的入力または，eU
eL×100，−×100
E0E0▶スマート・グリッド環境の入力変動試験
今後のスマート・グリッドの普及にともない，太陽光発電や風力発電などをはじめとして，さまざまな発電装置が共存することになります．
太陽光発電や風力発電は，言うまでもなく自然エネルギーであるがゆえに，発電量が変動することは避けられません．発電量が急激に減少したときに他の発電方式に切り替える場合，切り替えの瞬間に電源品質の悪化が懸念されます．
このようなことから，スイッチング電源の入力変動試験は今後さらに重要になると思われます．
δE ［％］＝＋● 動的負荷変動（RC-9131B 7.14 項）
この試験では，出力の負荷電流を急激に変化させたときの出力電圧波形を観測します．図 7 のように，負荷急変機能（スイッチング・モード，ダイナミック・モードなど）を装備した電子負荷装置によって容易に試験することができます．

変動試験と同様に次の式で表されます．
δE ［V］＝＋e U ，−e Lまたは，
δE ［％］＝＋eU
eL× 100，−×100E0E0● リプル・ノイズ電圧（RC-9131B 7.16 〜 18 項）
JEITA RC-9131B では，リプル電圧，ノイズ電圧，リプル・ノイズ電圧として規格書内の項番を 7.16 〜7.18 と分けていますが，類似している試験であることからまとめて解説します．
スイッチング電源の直流出力に現れるリプル・ノイ
ズ電圧は，複数の成分が合成されたものであり単純ではありませんが，模式図として表すと図 9 のようになります．
リプル・ノイズの測定回路は図 10 のようになっており，基準状態（定格電圧，定格負荷など）に設定後，出力に現れるリプル・ノイズ電圧（Peak to peak）をオシロスコープなどで測定します．
このときに最も重要なのは「プロービング」であり，急変機能内蔵
交流安定化電源

負荷装置 1VAV

オシロスコープ

供試電源

負荷装置 2…
負荷装置 NN ：供試電源の出力チャネル数

図 7（1） 動的負荷変動試験の回路例100%50%

tr95%

95%

55%

55%

tf0%

図 8（1）

負荷電流波形

スイッチング電源の試験項目

7

電源回路の測定＆評価技法

動的負荷変動試験は，基準状態で出力電圧 E 0 を測力電圧の変化値（e U ，e L ）をもとに，試験結果 δE は次特集を規定の下限と上限の範囲で急変させ，このときの出プロービングの方法によって測定結果が大幅に異なる▶プロービング例（2）ことがあるので注意が必要です．RC-9131B では，次図 12 に示すように，コンデンサを使用する方法です．のような 2 種類のプロービング方法を例として掲載しています．

● 過電流保護（RC-9131B 7.19 項）▶プロービング例（1）図 11 のように，オシロスコープに添付されている汎用プローブではなく，特性インピーダンス 50 Ωの同軸ケーブルを使い，測定器に入力端を R ＋ C で高周波終端します．
また，測定器をディジタル・リプル・メータに変更することにより，試験の自動化をすることも可能です．

スイッチング電源の過電流保護機能は，OCP（OverCurrent Protection）とも呼ばれ，電源を保護するための重要な機能です．
図 13 のような試験回路により，基準状態から負荷抵抗値を短絡状態になるまでゆっくり減少させ，出力電流に対する出力電圧の変化を連続的に測定します．
なお，入力電圧は定格電圧とし，保護回路動作点のスイッチング周期

ノイズ

リプル

入力商用周期

リプル・ノイズ

入力商用周期：20ms（50Hz）
あるいは16.7ms（60Hz）
スイッチング周期：スイッチング電源に依存＊
リプル：商用リプル＋スイッチング・リプル
ノイズ：スイッチング・リプル＋ノイズ
リプル・ノイズ：商用リプル＋ノイズ＊：一般的なスイッチング電源のスイッチング周波数は数十kHz〜数MHzとなっている

図 9（1） リプル・ノイズ波形の例（模式図）

負荷装置 1V

VA

交流安定化電源オシロスコープなど

供試電源

負荷装置 2…
負荷装置 NN ：供試電源の出力チャネル数

図 10（1） リプル・ノイズ測定の回路例

1.5m 50Ω同軸ケーブル

R
この線はできるだけ短くする

R ：50Ω
C ：0.001〜0.1μF

図 11（1）

8

第1章

C

高周波終端

プロービング例（1）スイッチング電源の試験方法と自動化手法

オシロスコープなど

R

ノイズ対策トランスなど

次回の規格改定で削除の予定

連続に測定しても差し支えない」としています．
▶パソコン不要の過電流保護試験

また，パソコンを使ってソフトウェアにより試験を自動化する場合「連続的に測定する」ことは難しいの

過電流保護試験を自動化する場合，従来はパソコンツイストする
供試
スイッチング
電源

負荷

RL1

測定器

RL 2…

その他出力RLn

リプル・ノイズ測定においては電流計，電圧計などを測定回路に入れている
場合は，測定値が変化することがあるので注意が必要

図 12（1） プロービング例（2）交流安定化電源

負荷装置 1

V

AA

V

負荷装置 2V
A

供試電源…
負荷装置 NN ：供試電源の出力チャネル数A

V

図 13（1） 過電流保護試験回路例

コラム

高周波終端とはオシロスコープのなかには終端抵抗器を内蔵しているものもありますが，例えば 50 V の電源出力を接続すると 50 W もの電力を消費するため，終端抵抗器が加熱し，場合によっては焼けてしまいます．
そこで，50 Ωの抵抗器と直列にコンデンサを挿入し直流ぶんをカットする高周波終端抵抗器（写真A）が使われています．これにより，高周波成分（リプル・ノイズ）のみが抵抗器に流れるようになるため，高い電圧を接続しても終端抵抗器が過熱することはありません．

写真A 高周波終端抵抗器（TRC-50F2；計測技術研究所）

スイッチング電源の試験項目

9電源回路の測定＆評価技法

で，測定結果に妥当性がある場合は「適当な間隔で不が，定電圧精度を外れた点でもよいとしています．

特集

判定は一般的に定格電圧より 5 ％下がった点とします増刊

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