1.　スイッチングノイズの発生要因

今回は、測定にフォーカスしているため、スイッチングノイズの発生要素のみ紹介します。

・ICで使用されている素子はPN接合でできています
・FETの等価回路を作成すると、抵抗、コンデンサ、インダクタンスがあります
・抵抗も等価回路を作成すると抵抗の他に容量とインダクタンス成分もあります
・配線についても並行する配線に寄生容量ができます。
・物質なので抵抗値があり、インダクタンスもあります
・ICに限らず、LCR成分が必ずあります
・DCDCの場合、FET、コイル、コンデンサなどの部品の他に、上記のLCR寄生素子が必ずあります

上記のLCR成分によって、DCDCのスイッチング時の電流経路で、スイッチの切り替わり時にリンギングが生じます。これが、スイッチングノイズの発生要因です。

1.1　測定方法

弊社は、Monolithic Power Systems, Inc.社（モノリシック パワーシステムズ、以降MPS社）の正規代理店として製品の提案、設計サポートを行っています。
今回スイッチングノイズの測定にはMPS社製：MPM3840を用い、測定結果例を示します。 https://www.monolithicpower.com/en/mpm3840.html

測定条件
・VIN＝5V、VOUT＝1.1V、Iout＝1A、常温
・測定基板の回路はMPM3840の評価基板を使用

図1　測定デバイスの推奨回路

測定のポイントはいたってシンプルで、出力コンデンサの両端を測定するのみです。
スプリングGND先端を基板GNDに半田付けして、 GNDループが最小になるようにしてください。

図2　A社製パッシブプローブ	図3　B社製パッシブプローブ

プローブの構造にもよりますが、GNDインピーダンスをどれだけ低減できるかがポイントとなります。
今回は、付属のパッシブプローブでどのように測定すればうまくいくかという一例を紹介しています。以降では、本測定方式での違いについてお話します。

1.2　測定器による違い

使用したオシロスコープとパッシブプローブの組み合わせは以下の通りで、A社、B社同一価格帯のオシロスコープを使用しています。

2.　誤差発生要因

測定器の違いでどのように変化するのか、以下の3パターンで測定の比較を実施しました。

2.1　スイッチング端子　Tr　波形

※画像クリックで大きな画像が表示されます。

①A社製オシロ ＋ A社製パッシブプローブ	③A社製オシロ ＋ B社製パッシブプローブ	②B社製オシロ ＋ B社製パッシブプローブ

2.2　出力リップル波形（出力端子 0.15uF 追加）

※画像クリックで大きな画像が表示されます。

①A社製オシロ ＋ A社製パッシブプローブ	③A社製オシロ ＋ B社製パッシブプローブ	②B社製オシロ ＋ B社製パッシブプローブ
19.6ｍV	29.6mV プローブ起因での悪化	40.6mV 測定器とプローブで悪化

 

⇒2.1と2.2の測定結果は、①⇒③⇒②の順で悪化していることがわかります

• ①⇒③：プローブに起因
• ③⇒②：本体に起因

2.3　オシロスコープ構成

オシロスコープの構成は、A/D変換の速度、分解能が測定精度に大きく影響を及ぼします。
入力AMP以降については、基本的にユーザーが変更できる部分がありません。
入力のプローブで最大電圧など各種特性が異なります。

図4　オシロスコープ構成

2.4　オシロスコープ入力等価回路

以下にテクトロ製のオシロスコープでの想定等価回路例を示します。（AC入力）
パッシブプローブの入力からAMPの入力までの等価回路例です。
なお、インピーダンスマッチング済みでの想定値です。（公開されていないため、各種入力定数から想定）

図5　テクトロ製 オシロスコープでの想定等価回路例

2.5　オシロスコープ校正とは

次に、オシロスコープ校正について述べます。
オシロスコープ校正では、オシロスコープ本体の発振器で波形の校正を行いますが、一体何を行っているのでしょうか。

それは
R1/(R1＋R2)＝C1/(C1+C2+C3/C4)
となるような調整を行っているのです。

図6　オシロスコープ校正　（図5より抜粋）

C2は本体の容量で決まっているので、C1に対してC4の補正量が十分でないと正確な測定はできません。
また、RとCの比率が異なることで減衰比が周波数で変化するため、波形の再現が悪化して見えてきます。

2.6　プローブの入力容量を調整した結果

※画像クリックで大きな画像が表示されます。

①Ａ社製オシロ ＋ A社製パッシブプローブ	③Ａ社製オシロ ＋ Ｂ社製パッシブプローブ （C4は未調整）	③Ａ社製オシロ ＋ Ｂ社製パッシブプローブ （C4を調整）
1GHzまで-20dBなので 10:1の入力が維持できている。	1GHz前で-14dBなので 10:1の入力が維持できていない。 1/10倍の波形を10倍するので実際より大きな結果を表示する。	1GHzまで付近まで-20dBなので、ほぼ10:1の入力が維持できている。 ただ、容量の補正の可否はプローブに依存する。

3.　回路・アートワークの改善

推奨回路は、最低限動作する構成しか記載されていないこともあります。必要に応じてアレンジを行ってください。

モジュール品についても基本は同様です。以下の点にご注意ください。

・コイルの下のパターンは基本抜く（コイルに依存）

⇒磁束の集中が影響を及ぼす

・小型のコンデンサを追加する（VIN、VOUT）

⇒最低1個、できれば2個でスイッチングパス形成

・FBラインはSW端子、コイルから距離をとる

⇒できない場合、内層でシールドする

・コンデンサはICと同一面に実装する

⇒2個実装なら1個は同一面へ（半分はICと同一面）

図7　スイッチングパスなし

図8　スイッチングパスあり

フィルターを形成する場合については、以下の点にご注意ください。

・コモンモードフィルター

⇒GNDは必ず分ける、異GNDを重ねない

・T型・π型フィルター

⇒GNDは共通

3.1　入力リップル波形/出力リップル波形

Ａ社製オシロとＡ社製パッシブプローブを使用した、入出リップル波形/出力リップル波形について説明します。

入力リップル波形

：入力端子への小型パッケージのコンデンサを直近に配置
（小型サイズの小容量の有無での差）

出力端子 0.15uF なし	出力端子 0.15uF あり
	⇒スイッチングノイズ70mV低減

 

出力リップル波形

：出力端子への小型パッケージのコンデンサを直近に配置
（小型サイズの小容量の有無での差）

出力端子 0.15uF なし	出力端子 0.15uF あり
	⇒スイッチングノイズ4mV低減

まとめ

スイッチングノイズの計測は、見直しがしやすいことから確認を行う機会が多いと思います。しかし、「高価な測定器を使用しているから大丈夫」、「帯域は十分だ」という理由だけで、検証環境を利用すると、測定結果に見落としが出ることがあるかもしれません。そのような際には、他社のオシロスコープと比較をしてみるのはいかがでしょうか。

また測定に問題がない場合、回路、アートワークの問題が考えられます。
パスコンデンサに十分な容量があるか、フィルターの構成は適切か、GNDのアートワークに問題はないか、など確認をしてみてください。

いかがでしょうか。DCDCの損失やスイッチングノイズの測定器による差異、誤差発生要因やスイッチングノイズ低減についてご理解いただけましたら幸いです。

 

MPS製品に関する情報はこちら

 

このブログのシリーズ

関連ブログ