学習演習 - 電圧レギュレータテストフィクスチャ

はじめに

インターネット上には、開発者のスキルや知識を示す成功した電子開発プロジェクトを文書化した記事が溢れています。しかし、これは開発プロセスの現実をやや偏った見方で示しており、すべてのプロジェクトがスムーズに進行したり成功するわけではありません。しかし、計画通りに進まなかったプロジェクトほど、最も貴重な教訓を教えてくれることが多いのです。そこで、バランスを調整するために、期待に全く応えられなかったプロトタイプの話をしますが、途中で役立つ学習の機会を提供しました。また、将来の改善のためのいくつかのアイデアを用いて、不完全なプロトタイプを再び軌道に乗せる方法についても見ていきます。

プロジェクト概要

このプロジェクトは、市販の電源モジュールの性能を測定する方法が必要になった時に始まりました。ノイズ、効率、出力電圧、起動時間、負荷過渡応答を分析します。問題は、電圧レギュレータに付属するデータシートが、これらの重要なパラメータに関する詳細情報を提供するのに十分でないことがあることです。問題は、実際の性能から逸脱した過度に楽観的なデータシートが、慎重に設計された回路に電圧レギュレータを接続したときに回路性能に大きな影響を与える可能性があることです。

プロトタイプの回路基板に電圧レギュレータをはんだ付けした後で、期待通りに動作しないことが判明するのは、高価で時間のかかる間違いです。特に、交換部品が基板設計の変更を必要とする場合はそうです。もちろん、データシートの情報から予測される通りに交換部品が完全に機能しないリスクもあります。

この問題を解決する最良の方法は、電圧レギュレータをテストフィクスチャに落として実世界の性能をテストできるようにすることです。特に、そのコンポーネントを回路設計に使用する前、ましてや回路基板の近くに置く前には、この方法が特に重要です。

テストフィクスチャを開発するために採用されたアプローチは、PCIe 1xスロットと対応するホストボードを使用して、レギュレータのテストを効率化することでした。標準のPeripheral Component Interconnect Express (PCIe) x1スロットは、帯域幅要件が低いアプリケーションでテストフィクスチャを制御ボードに接続するためのコンパクトな解決策を提供します。

制御ボードを使用すると、複数のレギュレータをテスト用に設定する作業が簡素化され、メーカーのガイドラインに合わせて入力および出力の容量を調整でき、任意のピン配置に対応できます。

テスト環境にはRigol DL3021プログラマブルDC電子負荷が含まれていますが、計画されたテストに必要な負荷遷移テストのための現在のスルーレートは不十分でした。この問題を解決するために、抵抗器の配列がボードに取り付けられ、これらの静的負荷を十分な速度で切り替えるためにMOSFETスイッチが使用され、必要な高速負荷遷移を提供しました。この切り替え可能な静的負荷ボードは、制御ボードの第2のカードスロットに接続されました。

テスト環境には、信号と応答の測定のためのオシロスコープも含まれているため、テストフィクスチャにオシロスコープのプローブを統合することは、テストを実施する際に大きな利点を提供します。

テストフィクスチャの要件が確立されたところで、開発フェーズが始まり、問題がすぐに現れたため、学習経験も始まりました。これから見ていきましょう。

統合オシロスコーププローブ

最初の挑戦と学びの機会は、統合されたオシロスコープ・プローブの必要性から生じました。開発アプローチは、Rohde and Schwarz LCRメーターで使用されているRigolプローブを分解し、リバースエンジニアリングすることでした。各コンポーネントの分析は、観察された値から標準プローブの回路図を作成することを支援します。問題は、このプローブが元々高インピーダンス入力のオシロスコープで使用することを意図しており、反射を抑えるために400オーム/メートルの抵抗を持つ超薄型の損失性導体を使用していたことです。プローブ導体からシールドへの抵抗は、標準同軸ケーブルよりも一桁から二桁低いです。

趣味や小規模ビジネスにとっての問題は、この超低抵抗同軸ケーブルを入手することが、巨大で高価なリールでのみ可能であり、短い長さや少量の要件には非現実的であることです。唯一現実的な選択肢は、標準の50オーム/メートルの同軸ケーブルを使用し、差を補うためにプローブのコンポーネント値を調整することでした。私は、同軸ケーブルの高い容量をバランスさせ、統合されたプローブ回路設計に正しい補償を適用するために、Altiumのシミュレーションツールを使用しました。
残念ながら、細心の分析と設計努力にもかかわらず、統合プローブは必要な性能を提供することはありませんでした。回路設計を慎重に調整した後でも、実際の帯域幅は約80MHzしか提供できませんでした。これらはレギュレータのテストには十分以上のものであるかもしれませんが、統合プローブを実装して調整するために必要な努力は、その利点を上回りました。結局のところ、標準的なプローブをボードに接続してテストする方が、より良い解決策を提供しました。

設計レビューの制限

しばしば、回路基板の設計は、明らかに見える問題を見落としてしまう厳格な設計レビューが不足しているために失敗します。これは、設計者が提案された設計にあまりにも没頭しているために発生します。プロジェクト成功への最大のリスクの一つは、不十分な設計レビュー入力で計画を急ぐことです。しかし、適切に行われた設計レビューでさえも万能ではありません。このプロジェクトは、その後者の優れた例です。

電圧レギュレータの開発のテストフィクスチャは、概念証明のデザインとして実装された、機能はするもののやや粗い実験ボードで始まりました。この初期プロトタイプは、デザインの実現可能性を示し、最終プロトタイプボードへの洗練の出発点を提供しました。デザインは2人の経験豊富なエンジニアによってレビューされ、プロジェクトはわずかな調整のみでグリーンライトを受けました。しかし、これらの徹底的なレビューでは、開発プロセスを悩ませていたグラウンドの問題を特定できませんでした。

グラウンドの問題

プロトタイプボードの設計には、アナロググラウンドとデジタルグラウンドを分けるのではなく、複数のグラウンドドメインがありました。このアプローチが通常は非常に悪いアイデアであることを理解するには、後知恵は必要ありません。

接地の問題の一つは、過渡応答を測定するためにMOSFETを使用してレギュレータと静的抵抗負荷への電力を切り替える必要があったことから生じました。しかし、テスト環境では、比較的ソフトスタート機能を持つRigol DP832 Bench Linear DC Power Supplyが使用されました。この機能はすべての実験室用電源に典型的なものであるため、テストフィクスチャはこのテスト機器の動作に対応する必要がありました。選択された解決策は、電源チャネルを有効にして安定させた後にMOSFETスイッチを制御してテスト対象のレギュレータに電力を適用するように制御ボードを設定することでした。

問題は、制御ボードが5つの電源チャネル、3つのオシロスコープチャネル、DCロードボード、そしてDCロードのセンス接続と接続していることです。この複雑さが、実装された回路内でのグラウンドドメインの絡み合いを引き起こしました。
設計図は完璧に見えたため、問題は設計者には明らかではなく、設計レビューでも見逃されました。しかし、実装された後、テスト中の電圧レギュレータに劣悪なグラウンド参照を提供しました。これは、電源電圧が安定するのを待っている間でも、コンポーネントが常にアクティブであったことを意味します。

グラウンドの問題は、回路の重要なポイントで抵抗と電圧を徹底的に測定し、実際の性能を設計予測と相関させて相違を解決することで特定され、解決されました。このプロセスにより、グラウンドの問題が原因として特定され、回路設計を改善し、変更が機能することを証明するためのプロトタイプの修正が可能になりました。

プロトタイプボードは、トラックを切断し、ワイヤーリンクで導電性のパスを再ルーティングすることで効果的に変更できます。これらのリンクを「ボッジワイヤー」と呼びますが、実際には、提案された設計変更を検証し、回路性能を体系的に検証する効果的な方法です。この例では、グラウンドの問題を解決するために、オプトアイソレータといくつかのグラウンドパスの再配線が必要でした。

MOSFETの問題

MOSFETドライバーが期待通りに動作しない問題も、プロトタイプの設計検証を妨げました。調査を通じて、スイッチの性能が組み立てられた設計のトポロジーと互換性がないことを特定しました。徹底的な調査では、観察された問題の振る舞いを引き起こす可能性のある設計上の問題は見つかりませんでしたので、原因を特定しようとMOSFETをボード外でテストしました。この調査の段階で、MOSFETがデータシート通りに機能しないことがすぐに明らかになり、これはデータシートが正しいという前提に依存する全設計プロセスを根底から覆しました。

もう一つのMOSFETの問題は、最大負荷を管理するために並列に接続されたMOSFETペアを使用して回路設計に十分な安全余裕を組み込んでも、コンポーネントが定期的に故障することでした。設計上の問題を診断することは、電子設計者にとって開発プロセスの難しい段階です。しかし、期待通りに動作しないコンポーネントや明らかでないグラウンドの問題など、性能に影響を与える複数の独立した要因が問題を悪化させ、最も経験豊富な開発者でさえも困難にさせます。

MOSFETコンポーネントが故障する問題を解決する上での課題は、明らかな原因がなかったことです。すべての回路コンポーネントが期待通りに動作すれば、問題は発生しないはずです。回路設計の特定の部分に原因を絞り込む試みとして、初期の実験ボードで成功裏に使用されたコンポーネントを使ってゲートドライバーを交換しました。課題は、これらの実験用コンポーネントがDIPパッケージに収められていたのに対し、プロトタイプボード上のドライバーはSOT-23-5のフットプリントを持っていたことです。しかし、この試みの結果、MOSFETが故障する問題はプロトタイプボードに使用されたドライバーに起因していることが証明されました。ドライバーのデータシートを徹底的に調査しても、これらのコンポーネントが回路で使用に適さない理由を特定することはできませんでした。

MOSFETドライバーの問題を解決した後も、スイッチングの問題が基板に悩み続けました。結局、信頼性の高い性能を得る唯一の方法は、プロトタイプ基板上のMOSFETコンポーネントを、実験基板で成功裏に使用していた同等のTO-251スルーホール実装MOSFETコンポーネントに交換することでした。この変更により、紙上では性能差がないはずであるにもかかわらず、定期的なテストに必要な信頼性がついに提供されました。

これはおそらく最も重要な教訓です。コンポーネントのデータシートがあなたの設計が完璧であると伝えていても、性能の問題は回路設計のエラーではなく、コンポーネントの問題によるものである可能性があります。

報告する最後のMOSFETの問題があり、それは開発エリアからプロトタイプボードを物理的に移動する必要があったことに起因しています。ラボの改装中にボードを移動した後、テストを再開するためにラボエリアに戻したところ、負荷切替機能が期待通りに動作しなくなりました。原因は、MOSFETの1つが偶発的な静電気放電（ESD）にさらされ、故障したことでした。損傷した部品を交換すると機能が復元され、テストを再開できました。

現在の回路状態

接地および切替問題が解決され、統合プローブの使用を考えるのをやめたことで、プロトタイプのテストフィクスチャは怒りを込めて使用するのに十分良好でした。私は約100個の電圧レギュレータをテストしました。さらに多くのものがパイプラインにあります。この結果は、理論的、時には神話的なデータシート情報ではなく、実際の性能を使用してプロジェクト用のレギュレータを選択するために非常に貴重でした。このアプローチは、レギュレータを差し込んでから、回路が期待通りに動作していない理由を何時間も調査する痛みをすべて排除しました。その原因は、レギュレータが期待通りに動作していないからです。

計画されている改善点

広範囲にわたるレギュレータのテストプログラムの追加の利点は、テストフィクスチャの性能に関するより多くの情報を明らかにし、将来の改善のための領域を特定したことです。

電源およびスイッチ制御

テストフィクスチャの次の改良版に識別された主要な変更の一つには、MOSFETを切り替えるために貴重な電源チャネルを使用する必要性を排除することが含まれます。これらの電源チャネルをより価値のある目的のために利用可能に保つための解決策が必要です。

Keysight DAQ970A データ取得システムには、USBおよびLAN接続を備えたデジタルIOボードが内蔵されたデジタルマルチメーターがあり、電源を解放するスイッチ制御機能を引き継ぐことができます。または、テストフィクスチャにマイクロコントローラーを追加し、内部制御機能を備えた完全に自己完結型のテスト機能を実現するという選択肢も常にあります。

計画されている電源の改善のもう一つは、最大220Wの出力を持つRigol DP832シリーズの電源を、1.5 kWの定格出力を持ち、より多くの出力供給オプションを提供する新しいKikusui PWX1500電源に交換することです。これにより、テスト中の高性能電圧レギュレータの必要な電圧や電流を満たすために、電源出力を直列または並列に連結する必要がなくなります。

負荷カード

2つ目の重要な変更は、負荷カードを手動で交換する必要をなくし、レギュレータの過渡特性テストに十分な速いスルーレートを持つ制御可能なDC負荷に交換する計画です。

テスト対象コンポーネントの接続

3つ目の重要な変更は、テスト中の電圧レギュレータをアダプターカードに半田付けする必要をなくし、代わりに多様な接続構成を扱うことができる信頼性の高いレギュレータのプラグイン方法に置き換えることです。この解決策は適切な時期に公開する予定です。

統合プローブ

最後に、統合プローブの問題があります。実用的な解決策が適切な結果を提供することで、テストフィクスチャの使用性が向上します。解決策は、高インピーダンス入力オシロスコープを標準の50オーム入力を持つモデルに交換し、一般的な50オーム/メーター同軸ケーブルの接続をサポートするためのシンプルな電圧分割器を使用することです。これにより、ほぼ完璧な信号が得られます。

結論

この記事は、最もよく設計された回路が予期しない問題を提示することがあることを示しています。独立したピアレビューを受けた最も単純な回路設計でさえ、理論的な設計が現実のデバイスになると期待通りに動作しないことがあります。重要なことに、データシートは誤解を招くか、あるいは間違っていることさえあります。皮肉なことに、電圧レギュレータをその仕様に対して検証し、性能の不一致を解決するために設計されたテストフィクスチャは、データシートの問題によってほとんど台無しにされました。

この実例では、追加で経験豊富なエンジニアがセカンドオピニオンとして参加しましたが、グラウンドの問題を特定する助けにはならず、利用可能なドライバーとコンポーネントのデータシートに基づいていれば、スイッチングの問題は発生しなかったはずです。

しかし、肯定的な面では、テストフィクスチャが稼働し始めると、テストから収集された豊富なデータの価値がすぐに示され、新しいプロジェクトのための電圧レギュレータの選択を劇的に簡素化しました。

回路設計に役立つ貴重な学習機会や洞察を提供する類似の話があれば、コメントを残して経験を共有してください。また、電圧レギュレータのテストフィクスチャの改善提案や新機能のアイデアがあれば教えてください。