スイッチング電源自動評価のススメ

自動評価とは

　私たちの身の回りの家電製品や工場などで使われている産業機器は、製品の開発や試作段階で性能の試験や評価を行っています。一般的にこのような製品の評価では多種多様なデータを取得する必要があり、手作業で行うと膨大な時間が必要になります。

　このような場合、自動評価を導入することにより大幅に時間短縮することが可能となり、結果として開発や評価機関の短縮を実現することができます。

自動評価の必要性

　自動評価は次のような観点から非常に重要です。

観点	概要
評価時間の短縮	自動評価は手作業での評価とは比較にならないほど短時間で評価（測定）を実施することができます。また、評価担当者は自動評価を実行している間に他の業務を並行して行うことができますので効率的です。
製品品質の向上	手作業での評価では難しかった「大量のデータ」を取得することができますので、手作業では発見することができなかった不良を発見できるかも知れません。 これにより、製品品質がより向上します。
不良品の再評価	製品出荷後に不良品が発生し、返品されたときの再評価を短時間に完了することができます。

自動評価の効果

　前項と重複する部分がありますが、自動評価は以下のような効果があります。

効果	内容
開発期間の短縮	製品試作評価時間の短縮は、結果として開発期間の短縮につながります。
設計変更の効率化	不良発生時に設計変更し、その後の再評価を迅速に行えるため効率的です。
評価リポートの定型化	評価リポートを半自動で生成することができ、容易に定型化することができます。

自動評価の実現手法

　評価の内容によってその実現手法は異なりますが、スイッチング電源の場合、JEITA（電子情報技術産業協会）によりその評価方法が規格化されています。

JEITA規格番号	概要
RC-9131D	スイッチング電源試験方法（AC-DC）
RC-9141B	スイッチング電源試験方法（DC-DC）

　RC-9131DとRC-9141Bは入力仕様が異なる（ACまたはDC）だけで、基本的な検査仕様はほぼ同じであり、主な検査項目のカテゴリは以下の通りです。

検査項目	概要
外観及び寸法試験	外観、寸法、表示（銘板）
電気的性能試験	入出力特性、保護機能試験、立ち上がり・下がり時間、耐電圧試験など
機械的性能試験	振動、衝撃
耐候性試験	使用温度・湿度囲、保存温度・湿度範囲

　電気的性能試験は自動評価に適しており、多くのケースで実施されていますが、評価項目によっては以下のように実施が難しい場合もあります。

〇：評価自動化可能　△：評価可能だが自動化は難しい

検査項目	検査自動化	概要
力率	〇	入力の力率測定
効率	〇	出力電力の合計 ÷ 入力電力により算出
高調波電流	〇	JIS C 61000-3-2及びJIS C 61000-4-7に準じた高調波電流の測定
突入電流	〇	パワーメータ等により測定
出力電圧可変範囲	△	出力電圧可変ボリュームを左右いっぱいに回したときの出力電圧を測定（手作業が必要のため△となります）
非独立制御設定許容値	〇	多出力電源において制御系出力とそうでない（非制御系出力）とのばらつきを確認する
静的入力変動	〇	入力電圧を規定の変動幅だけ変動し、入力電圧が安定したときの出力電圧を測定し、出力電圧の変動幅を確認する ※ラインレギュレーションとも呼ばれる
静的負荷変動	〇	出力負荷電流を規定の変動幅だけ変動し、負荷電流が安定したときの出力電圧を測定し、出力電圧の変動幅を確認する ※ロードレギュレーションとも呼ばれる
静的相互負荷変動	〇	多出力電源において、あるチャンネルの負荷電流を変動したときの他のチャンネルへの影響度を確認する。 ※クロスレギュレーションとも呼ばれる
周囲温度変動	〇	D.U.T.（被検査スイッチング電源）の周囲温度を変動したときの出力電圧安定度を確認する
初期ドリフト	〇	D.U.T.の電源入力をONしてから30分間の出力電圧変化を確認する。
経時ドリフト	〇	初期ドリフト検査で30分経過してから、さらに8時間経過するまでの出力電圧変化を確認する
動的入力変動	〇	入力電圧を規定の変動幅だけ急激に変動し、入力電圧が変化したタイミングでの入出力波形を観測する ※入力急変とも呼ばれる
動的負荷変動	〇	出力負荷電流を規定の変動幅だけ急激に変動し、電流が変化したタイミングでの出力電流・電圧波形を観測する ※負荷急変とも呼ばれる
回復時間	△	入力電圧または負荷電流を急変させたとき、影響されて変動した出力電圧が定格電圧に戻るまでの時間を観測する
リップル電圧	〇	DC出力に定格電流を流したとき、出力電圧に含まれるリップル電圧（スイッチング周期に同期したp-p電圧）を測定 ※スパイクノイズ成分は除外する
ノイズ電圧	〇	DC出力に定格電流を流したとき、出力電圧に含まれるノイズ電圧（スイッチング周期に同期したp-p電圧）を測定 ※前項のリップル成分は除外する
リップルノイズ電圧	〇	DC出力に定格電流を流したとき、出力電圧に含まれるリップル及びノイズ電圧（スイッチング周期に同期したp-p電圧）の合計を測定
過電流保護	〇	D.U.T.の過電流保護回路が動作するまで出力電流を増加させ、保護回路の動作点を確認する
過電圧保護	〇	D.U.T.のDC出力に外部からDC電圧を印加し、この電圧を過電圧保護回路が動作するまで電圧を上昇させ、保護回路の動作点を確認する ※D.U.T.の仕様によって他の方法が採用されることもある
リモートON/OFFコントロール	〇	リモートON/OFF機能を内蔵したD.U.T.のときに、リレー接点等によりON/OFF動作を確認する
リモートセンシング	〇	D.U.T.のリモートセンシング（出力電圧降下補正）機能を確認する
絶縁抵抗	△	D.U.T.の規定の端子（あるいはシャーシ）間の絶縁抵抗を測定する ※各種測定や保護回路試験などの通電試験とは別工程で実施されることが多い
耐電圧	△	D.U.T.の規定の端子（あるいはシャーシ）間の耐電圧を測定する ※各種測定や保護回路試験などの通電試験とは別工程で実施されることが多い
雷サージ電圧	△	D.U.T.の動作中に規定の端子間または規定の端子と筐体間に規定のせん頭値を有するサージ電圧を印加する
静電気放電試験	△	D.U.T.の動作中に電源の表面（ケースやスイッチ等）に規定の静電エネルギーを放電させ、正常に動作することを確認する。
遅延時間	〇	D.U.T.に入力電圧を印加後、出力電圧が10%に立ち上がるまでの時間を測定
立ち上がり時間	〇	D.U.T.に入力電圧を印加後、出力電圧が10%から90%にに立ち上がるまでの時間を測定
出力保持時間	△	D.U.T.の入力電圧を遮断後、出力電圧が定格を保持している時間を測定
立ち下がり時間	〇	D.U.T.の入力電圧を遮断後、出力電圧が90%から10%にに立ち下がるまでの時間を測定
起動時間	〇	D.U.T.に入力電圧を印加後、出力電圧が90%に立ち上がるまでの時間を測定
瞬停保証時間	△	D.U.T.の入力電圧を入力周波数の半サイクル単位で瞬断させ、また、入力電圧を50%まで低下させたとき、出力電圧が定格範囲内にある時間を測定
出力インピーダンス	△	規定の測定条件によりD.U.T.の出力インピーダンスを測定
接触電流（漏えい電流）	△	IEC 60950-1 / IEC 62368-1に準拠した模擬回路を接続したときの接触電流を測定 ※各種測定や保護回路試験などの通電試験とは別工程で実施されることが多い
入力雑音電圧耐量	△	D.U.T.の入力端子と筐体間または入力端子相互間に規定の幅及び波高値を有するパルス電圧（商用電源に同期）を印加し、D.U.T.が正常に動作することを確認
雑音端子電圧	△	D.U.T.の入力端子に発生する高周波雑音電圧を規定の周波数範囲にわたって測定
雑音電界強度	△	D.U.T.から水平距離で3mまたは10m離れた点に受信用アンテナを設置し、その点における雑音電界強度を規定の周波数範囲にわたって測定

　これらの試験規格はJEITAスイッチング電源委員会により策定された「基準」であり、具体的な測定や試験方法はスイッチング電源のメーカによって異なる場合があります。

スイッチング電源の自動評価

　スイッチング電源の評価内容としては、前項のJEITA規格により基本的な部分はカバーしていますが、自動評価の実現方法については様々なアプローチがあります。ここでは電気的性能試験の自動評価について、その実現方法を考えてみます。下図は一般的な自動評価システムの機器構成図です。

機器等	概要
自動評価ソフトウエア	PCからのリモートコントロールにより各機器を設定したり測定結果を取得したりして自動評価を実現します。測定した結果を保存し、そのデータをもとに評価リポートなどを作成するための機能も必要です。
コントロール	GP-IB, USB, LANなど
入力用電源	AC入力の場合：交流電源 DC入力の場合：直流電源、バイポーラ電源など
入力用測定器	パワーメータなど
出力用負荷装置	電子負荷（またはリップルメータ内蔵電子負荷）
出力用測定器	リップルメータ等
波形用スキャナ	AC/DC入力電圧/電流波形、入力ON/OFFトリガー、出力電圧/電流波形
波形測定装置	デジタルオシロスコープ

自動評価ソフトウエア

　スイッチング電源に限らず様々なD.U.T.の自動評価を行うためには、主に以下のようなソフトウエアの開発（プログラミング）が必要となります。

　・ユーザインターフェース（評価プログラムステップの作成、実行など）

　・計測器の制御（計測器コントロール用ドライバの開発）

　・測定結果の保存（データ処理）

　・評価リポートの作成（データ検索）

　このように、自動評価プログラムを開発するためにはユーザインターフェースだけでなく様々なプログラミングが必要になりますので容易ではありません。とりわけ計測器の制御は一般的なアプリケーションの開発とは異なり「ハードウエアのドライバ開発」となりますので、より難易度が高くなります。

　短期間で自動評価装置を立ち上げる必要がある場合、評価ソフトウエアを１から開発するのは現実的ではなく、様々なD.U.T.に特化されたパッケージソフトウエアを導入するのが早道と思われます。

コントロール

　PCから計測器をコントロールするインターフェースは主に次のようなものがあります。

インターフェース	概要
GP-IB (IEEE488)	計測器用のインターフェースとして古くから使われている。 長所：コネクタは堅牢で容易に抜けない。１対多通信対応。 短所：大容量のデータ転送には向かない
USB	PCの標準インターフェースとして広く普及 長所：ローコスト 短所：コネクタが抜けやすい
LAN	絶縁されており長距離の転送にも使える 長所：比較的ローコスト 短所： コネクタの爪が折れやすく、折れるとすぐに外れる

　一般的な用途での普及率はUSBやLANが高いのは間違いありませんが、例えばスイッチング電源の自動計測に限定するとGP-IBの方が適していると思われます。その理由としては

　・計測制御用途では古くからデファクトスタンダードになっており、今後も続くと思われる。

　・コネクタが容易に抜けないので不用意に抜けたことによる障害が発生することはない。

　・転送するのは主にテキストデータであり、大容量のデータを転送することは少ない。

入力用電源

　スイッチング電源の入力供給用電源としては以下のようなものが使われています。

入力用電源	概要
交流電源	AC/DCコンバータの試験用
直流電源	DC/DCコンバータの試験用
バイポーラ電源	高速に入力を変動したいときに使用されます。
DCスイッチ	直流電源の出力を高速にON/OFFすることで突入電流の測定などを行います

入力用測定器

　スイッチング電源の入力電流や電力、力率などを測定します。

入力用測定器	概要
パワーメータ	基本は交流電力測定用に使用しますが、DC測定に対応したパワーメータは、DC/DCコンバータの入力測定にも使用可能です。
DCスイッチ	電流センサ（シャント抵抗）を内蔵しており、DC/DCコンバータの入力電流測定に使用できます。

出力用負荷装置

　スイッチング電源の出力電流を流すための負荷装置です。

出力用負荷装置	概要
単ch電子負荷	一般的なデスクトップタイプの電子負荷です。
多ch電子負荷	複数の負荷モジュールを組み合わせて使うことができる電子負荷です。
LED電源用電子負荷	LEDの点灯用に特化したLED電源用電子負荷です。

出力用測定器

　スイッチング電源の出力電圧やリップルノイズ電圧を測定するための測定器です。

出力用測定器	概要
リップルノイズメータ	スイッチング電源の直流出力に現れるリップルノイズを測定するための測定器です。
デジタルマルチメータ	一般的なデジタルマルチメータです。
電子負荷内蔵測定器	電子負荷にリップルノイズ測定機能を内蔵できるときは、外部に設置するよりもローコストで実現することができます。

波形用スキャナ

　デジタルオシロスコープの入力チャンネルを切り替えて拡張するためのものです。

波形用スキャナ	概要
高周波スキャナ	一般的な高周波用スキャナは各チャンネルのGND側が共通（短絡）となっており、スイッチング電源の測定には適していません。 このため、各チャンネルのGNDが独立して絶縁されているスキャナが必要となります。（※）

※当社ではスイッチング電源測定用に各チャンネルのGNDが絶縁された高周波スキャナ（SC-401）を製品化しております。

波形測定装置（デジタルオシロスコープ）

　一般的なデジタルオシロスコープですが、自動評価では大量の波形を取得しますので、波形保存の手順はシンプルで扱いやすい機種がおすすめです。

時間測定装置	概要
デジタルオシロスコープ	各種電圧、電流波形、シーケンス波形など

電源自動評価システムPW-6000の概要

ハードウエア機器構成

　PW-6000はセミオーダーシステムとなっており、お客様の要望に沿って評価システムを構築させていただきます。具体的な使用可能機器につきましては巻末の対応機器一覧をご覧ください。

機器	主な仕様	備考
入力電源	AC/DC入力対応
入力測定	パワーメータ
出力負荷	汎用電子負荷	トータル20チャンネルまで拡張可能
出力測定	電子負荷内蔵オプションRC-02Aまたはリップルノイズメータ
スキャナ機能	ユニバーサルスキャナSC-800A	スキャナ用フレームユニット
OV機能検査	SC-820 （8chスキャナ）	SC-800A用ボード
DVM測定	SC-830 （8chスキャナ）	SC-800A用ボード
デジタルI/O	SC-850 （フォトカプラ入力8ch及びオープンコレクタ出力8ch）	SC-800A用ボード
コンタクト	SC-840 （8chコンタクト）	SC-800A用ボード
DSO	波形観測用デジタルオシロスコープ
DSO用スキャナ	12ch×2, 8ch×2, 4ch×1	SC-401A
恒温槽	温度・湿度変動試験用
その他

自動評価ソフトウエアTP

TPソフトウエアの構成

名称	主な機能
Process Creator	評価プログラムの作成・編集・デバッグ・実行
Report Creator	評価リポートの作成・Microsoft Excelへの転送

各ソフトウエアの役割

　Process CreatorとReport Creatorは、自動評価を以下のような流れで実行します。

	ファイル（拡張子）	目的・用途
Process Creator	計測器ファイル（ICF）	計測器制御（GP-IB）コマンドの登録 各機器のコントロールに関する情報は全てここに集約し、評価プログラムは評価の手順作成に専念できます。
	システム構成（CFG）	使用機器リストの登録 評価に使用する機器（計測器ファイル）を登録します。使用機器が変更になっても基本的に評価プログラムの変更は不要です。
	パラメータ（PRM2）	評価条件パラメータの登録 環境温度や入力電圧など、評価条件に関するパラメータの登録を行います。評価条件が変更になっても基本的に評価プログラムの変更は不要です。
	評価プログラム（TPF2）	評価ステップの保存 評価手順に関するステップを作成して保存します。
	データファイル（DAT）	評価データの保存 測定結果（数値データ、波形データ）を保存します。
Report Creator	レイアウトファイル（RPT）	リポートレイアウトの保存 評価リポートのレイアウト（表、グラフ、波形）を作成して保存します。
	Microsoft Excel	評価データの転送 測定結果データをMicrosoft Excelにダイナミック転送することができます。数値データのみ（波形は転送不可）
	評価リポート	評価リポートの印刷 レイアウトファイルで定義したレイアウトに従って、測定結果を評価リポート形式で印刷することができます。

計測器ファイルの作成

　計測器ファイルは当社からの新規納入時に必要なファイルは全て添付されるため、改めて作成する必要はありませんが、新機種の評価等で新たな計測器が必要になったときなどに計測器ファイルの作成が必要となります。

最初に計測器のマニュアルを参照しながらその計測器をコントロールするために必要なコマンドを以下のカテゴリ別に登録します。

カテゴリ	内容	備考
INIT	初期化関係	実行開始時に呼ばれるコマンド等
SETTING	設定関係	電圧設定等、計測器への設定コマンド
MEASURE	測定関係	電圧測定など、計測器からの測定結果取得コマンド
OTHER	その他	必要に応じて追加

システム構成の登録

　評価プログラムを作成する前に、この評価で使用する機器について「あらかじめどのような用途で使用するか」登録します。これにより評価ステップの途中で例えば「入力電圧測定」を選択すると自動的に交流電源の測定機能を使って測定されます。

　もし、高精度なパワーメータを使って測定したいときは評価プログラムは変更する必要は無く、こちらの登録のみ変更するだけで簡単に対応することができます。

テストパラメータの登録

　入力電圧や負荷など測定時の様々な条件はテストパラメータとして評価プログラムとは分離して登録します。従って、評価の条件を変更するときにプログラムの変更は必要なく、テストパラメータを変更するだけで良いことになります。

評価プログラムの作成

　自動評価を実行するためのプログラムは、左側のテスト項目から右側のエリアに項目を移動（ドラッグ＆ドロップ）し、その項目内のメニューを選択するだけで作成することができます。このため「評価プログラム」ではなく「評価プロセス（評価手順）」と呼ばれます。（マニュアルには「評価プロセス」と記載されています）

　また、以下の画面のように評価プロセスは全て日本語表記となっており、全く初めて見た方でも評価内容を把握できるため、迷うことなく効率的に自動評価を実施することができます。

評価プログラムのデバッグ（測定結果の妥当性確認）

　実際に自動評価を実行するとき、３種類の実行モードを選択することができます。

実行モード	概要	備考
ステップ実行	ステップ単位で実行
トレース実行	測定結果を確認しながら実行	測定結果のデータは保存されない
通常実行	測定結果を保存しながら実行

　トレース実行では以下のように様々な形式で測定結果をモニタすることができます。これによって測定結果の妥当性を効率良く確認することができます。操作は非常に簡単で、モニタしたい行を選択し、計測モニターボタン を押すだけです。これらのモニタはいくつでも同時に表示することができます。

数値モニタ

リストモニタ

　複数のデータを同時に観測したいときは表形式の計測モニタ（リストモニタ）が便利です。以下のようにモニタしたい複数の行をまとめて選択し、計測モニターボタンを押せば表形式のリストモニタが表示されます。

 

グラフモニタ

　効率特性曲線などグラフで確認した方がわかりやすいデータは、グラフ形式の計測モニターを表示すれば効率的に確認することができます。以下のようにループ開始～終了までをまとめて選択し、計測モニターボタンを押すとグラフ形式のモニタが表示されます。

波形モニタ

　DSO（デジタルオシロスコープ）により取り込まれたデータは数値データとは異なるため、専用の波形モニタを使用します。やり方は数値データと同じように「各種測定（出力波形）」を選択して計測モニターのボタンを押すと波形モニタが表示されます。

　

評価プログラムの実行

　評価プログラムを通常実行すると最初にこのような「データ付加情報」の入力画面が表示されます。

ここで入力された情報は測定結果とセットで保存され、あとでデータを検索するときの検索キーワードとして利用されます。

自動評価実行中は以下のような画面が表示されます。

評価レポートの生成

　Process Creatorにより自動評価を実行して保存されたデータは、もうひとつのソフトウエアReport Creatorによって評価レポートが生成されます。以下のようにひとつのプログラムから様々な形式のレポートを生成することが可能です。

入力特性のサンプル

出力特性のサンプル

　

OCP特性のサンプル

 

リップルノイズ波形のサンプル

 

対応機器一覧

　以下の機器リストは、過去に動作実績のある機器の一覧となっておりますが、リストに無い機器でも計測器ファイルを作成することにより対応機器を増やすことができます。（デジタルオシロスコープにつきましては、別途ご相談ください）

種別	メーカ	モデル	備考
ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ	NI	GPIB-USB-HS+	USB→GP-IBコンバータ
交流電源	計測技術研究所	6300シリーズ	三相10kVA～150kVA
		6700シリーズ	単相500VA～5kVA
		EABシリーズ	マルチ相4kVA～6kVA
		EACシリーズ	マルチ出力3kVA～6kVA
		EALシリーズ	単相500VA～6kVA
パワーメータ	日置電機	3332	直流・交流（単相）用
		3334	直流・交流（単相）用
		PW3335-01	直流・交流（単相）用
		PW3336-01	2ch入力（直流・交流用）
		PW3337-01	3ch入力（直流・交流用）
	横河電機	WT-300	直流・交流用
直流電源	菊水電子工業	PAN-Aシリーズ	16V～600V / 175W～1000W
	TDK-Lambda	Genesys+	10V～600V / 1kW～15kW
電子負荷	計測技術研究所	Load Stationシリーズ	120V～500V / 300W～1000W
		3300Fシリーズ	60V～500V / 40W～300W
		3310Gシリーズ	60V～500V / 75W～300W
ﾘｯﾌﾟﾙﾉｲｽﾞﾒｰﾀ	計測技術研究所	RM-103	測定周波数帯域：DC～100MHz
		RM-104
スキャナ	計測技術研究所	SC-800A	スキャナフレーム
		SC-820	8ch OVスキャナ
		SC-830	8ch DVMスキャナ
		SC-840	8ch コンタクト接点
		SC-850	8ch デジタルI/O
マルチメータ	KEYSIGHT	34401A
		34461A
	岩通計測	VOAC7521H
ﾃﾞｼﾞﾀﾙｵｼﾛｽｺｰﾌﾟ	テクトロニクス	DPO2014B
	横河電機	DLM4000