AN07 APEX – AN07 AN07 プログラマブル電 Product Innovation From 源 プログラマブル電源 概要 プログラマブル電源（PPS）は、自動テスト機器における 主要な要素であるだけでなく、産業用制御、科学研究、およ び車両制御といった多様な分野でも使用されています。コン ピュータと組み合わて使用することで、制御対象のタスクとソ フトウェアとを連携させることができます。このアプリケーショ ン・ノートでは、PPS の基本動作、考えられる様々な構成お よび精度に関する主な考慮事項について検討します。 多様な電圧出力タイプ 多くの場合、最も基本的で最も正確な PPS で必要なの は、図 1 に示すような電流出力デジタル / アナログ・コンバー タ（DAC） 、パワー・オペアンプ、および帰還抵抗のみです。 オペアンプの理論では、反転入力（サミング・ジャンクション） における電圧がゼロになり、オペアンプの入力電流がゼロとな ります。その結果、DAC からのすべての電流は帰還抵抗 R F を通過します。オームの法則により、この回路からは DAC の 出力電流に応じて正確な出力電圧が提供されます。DAC お よび帰還抵抗が完全なものであると仮定すると、出力電圧の 誤差に大きく影響するのはオペアンプの 2 つのパラメータの みとなります。これらのパラメータとは、バッテリによって形 成される電圧オフセット（V OS）と、電流ソースによって示さ れるバイアス電流（l B）です。R F に比べて電流出力 DAC の 出力インピーダンスが高いため、V OS の誤差はゲインを得る ことなく出力に現れます。 RF ±I DAC れ、VOS の誤差はフルスケール出力電圧と直接比較されます。 そのため、低バイアス電流の重要度はシステムの分解能にの み依存しますが、電圧オフセット仕様の重要度は分解能および フルスケール電圧範囲の両方に応じて変化します。 電圧出力DACの使用 電圧出力 DAC を使用する場合、パワー・オペアンプを反 転ゲインまたは非反転ゲインのいずれかを使用して追加する ことで PPS を形成できます。この方法は通常、電流出力 DAC を使用した実装よりもコストがかかり、精度も低下しま す。しかし、システムや部品調達などの事情のために、電圧 出力 DAC を使用しなければならない場合があります。 図 2 には基本的な反転ゲインの場合を、図 3 には非反転の 設定を示します。いくつかの新しい変数が追加されていますが、 誤差の計算は依然として単純です。電圧オフセットの誤差は、 回路のゲインで乗算した値で出力（反転回路の場合、A V +1） に現れます。 精度を最大限に高めるためには、最大出力の DAC を使用して、最小電圧ゲインとなるようにオペアンプを 構成してください。± 10V の DAC を使用する場合、Vos と LSB の直接比較は、表 1 に示されている 20V の FSR 値を 使用して行うことができます。また、バイアス電流は帰還抵抗 を通過することで出力電圧誤差を生成するため、RF および RIN の値は通常、可能なかぎり低く抑えられています。 RF ±V DAC RIN ±V AV = RF/RIN 図2. 反転電圧ゲイン V = IR F RF 図1. 電流/電圧変換 RIN 出力が 10V でオペアンプのオフセットが 5mV である場合、 この誤差の影響度はわずか 0.05% です。出力が 100V で ある場合、0.5mV のオフセットの誤差への影響度はわずか 5ppm となります。DAC が主な誤差源に容易になりえること は明らかです。 オペアンプのバイアス電流は、DAC の出力電流に追加 されます。 市販されている DAC のフルスケール電流は ± 1mA または 0/2mA です。現在のほとんどのバイポーラ入 力パワー・オペアンプのバイアス電流は 50nA 未満です。そ のため、誤差は最大でフルスケール範囲（FSR）のわずか 25ppm となります。25℃での FET の入力バイアス電流 は 100pA を超えることがほとんどなく、10pA と低い値が 指定されます。これらの誤差を変換すると、0.05ppm およ び 0.005ppm となります。FET のバイアス電流は一般的に 10℃上がるごとに倍になるという特徴があるため、2 つの例 のバイアス電流は 125℃で 100nA および 10nA となり、 それぞれ 50ppm と 5.4ppm の誤差が生成される可能性が あります。ここでもやはり DAC が重大な誤差源となります。 様々なシステムの性能に対する特定のパワー・オペアンプ の誤差影響度を判別するには、次ページの表 1 を参照してく ださい。量子化最小単位（LSB）は、出力の最小ステップ変 化の値になります。計算した誤差と LSB 値を比較することで システムの互換性がわかります。電流出力の場合、DAC の オペアンプ・バイアス電流は DAC の電流 LSB と直接比較さ AN07U www.cirrus.com ±V DAC AV = 1 + RF /RIN 図3. 非反転電圧ゲイン リモート・センシングの場合 図 4 の回路は、パワー・オペアンプから負荷までとパワー・ リターン・ラインを介してローカル接地に戻るまでの配線抵抗 DAC R IN R IN RF POWER OP AMP HI SENS OUT RW LOAD RF LO SENS RW RTN 図4. リモート・センシングを使用したプログラマブル電源 Copyright © Cirrus Logic, Inc. 2009 （All Rights Reserved） 2009年5月 33 APEX − AN07UREVD AN07 （R W）を示しています。 各ラインにある 0.005Ω の配線抵 抗に 5A の負荷電流が通過するだけで、0.25V の IRドロッ プが生じます。リモート・センシングを使用しない場合、このド ロップは負荷における誤差となります。高精度の R F /R IN のペ アおよび 2 本の低電流センス・ワイヤーを追加することで、パ ワー・リターン・ラインにおける IRドロップは、コモン・モード 電圧となり、オペアンプが非常に高い除去比を持つことになり ます。出力およびパワー・リターンの配線における電圧低下は 帰還ループ内部で起こります。そのため、パワー・オペアンプ が IR 損失を克服できる電圧駆動機能を持っているかぎり、高 精度が保たれます。 ±V DAC POWER OP AMP LOAD RS 図7. 高電圧、電流出力プログラマブル電源 IOUT = – 電流出力の場合 ±V DAC 電流出力 DAC を使用した電流出力 PPS は、図 5 に示す ように実装できます。図 6 は別のタイプの電流出力 PPS を 示しています。この PPS では負荷の接地が可能ですが、より 複雑でさらに多くの誤差が生じます。特に、出力電流が比較 的低い場合、低い方の R F /R IN ペアを通過する電流が、R S に よってもセンスされるため、非常に大きくなる場合があります。 R F /R IN ペア間の比率の不一致によって大きな誤差が生じるこ とがあります。センス抵抗の両端で生成される電圧の誤差は、 出力電圧に比率の不一致を乗算したものとなります。たとえば、 0.2 Ωのセンス抵抗では、20V の駆動電圧を必要とする 5A の出力およびわずか 0.1% の比率の不一致によって、誤差は 2% となります。8 ビットの LSB でもわずか 0.39% です。 IOUT = – ±V DAC ±V DAC VOUT = (IIN * RF ) +VIN RS POWER OP AMP SOLAR PANEL RF IIN VIN * R F RIN * R S RF 図9. ソーラー・パネル・テスター R IN パワー・オペアンプは、その柔軟性、精度および使いやす さにより、プログラマブルな電源が必要な場合の主要な選択 肢となっています。パワー・オペアンプを使用することで、ユ ニポーラ出力が必要な回路を大幅に単純化でき、コスト効率 に優れたバイポーラ電源を設計できます。残る唯一の問題は、 パワー・オペアンプを購入するか、あるいはディスクリート部 品で作成するかです。少量生産工程の場合には、必要となる 設計上の労力を考えると「作成する」という選択肢はコスト がかかりすぎます。大量生産工程の場合、この疑問はより複 雑になります。多くのアプリケーションでは、小型、軽量でか つ高信頼性であれば、「購入」の決定は唯一の合理的な選択 肢となります。 （「The Advantages of IC power op amps （IC パワー・オペアンプの利点）」を参照してください。）また、 どのようなアプリケーションでも、ハイブリッド・パワー・オペ アンプは、設計品質の向上、製造工程の高速化およびオーバー ヘッド・コストの削減を実現します。 POWER OP AMP RS RF LOAD 図6. 接地負荷の場合の電流出力 説明したすべての電流出力回路では、電圧オフセットによる 誤差は、センス抵抗の両端で 1 以上のゲインで現れます。つ まり、センス抵抗値が高くなれば、R S、パワー・オペアンプ およびシステム電源での電力損失が増加するかわりに出力電 流の誤差は小さくなります。もう 1 つの注意点として、負荷 に誘導成分が含まれる場合は、偏向コイルなどのリアクティブ 負荷を備えた高精度電流出力回路における安定性の維持につ いて説明している「アプリケーション・ノート 5」を参照して ください。電圧出力 DAC を使用した電流出力 PPS を図 7 に示します。パワー・オペアンプは、センス抵抗（R S）の電 圧が入力電圧と同じになるまで、負荷を介して電流を駆動し ます。高効率（負荷電圧と比較し、R S の両端の電圧が低い） を達成するためには、この回路では低電圧 DAC または高電 圧オペアンプが必要です。どちらも使用できない場合、図 8 の回路を使用することで、センス抵抗の電圧低下を入力電圧 より低くすることができます。 RS 電源の V-I 特性を得るためには、出力電圧を制御して出力 電流を計測するか、出力電流を制御して出力電圧を計測する ことが望ましい場合があります。ここに示している電流出力回 路は能動電流負荷として適しています。図 9 の回路では、 ソー ラー・セル・パネルの電圧負荷を実行しています。パワー・オ ペアンプは、DAC の電圧を強制的にパネル全体に現れるよ うにし、さらに I-V 変換を行って、V-I 特性をプロットするため のデータを提供します。 LOAD R IN 34 LOAD プログラマブルな能動負荷 図5. 電流入力、電流出力プログラマブル電源 I OUT = – R IN 図8. 大電流、電流出力プログラマブル電源 I IN * RF RS RF VIN * R F RIN * R S POWER OP AMP RF POWER OP AMP ±1mA DAC I = VIN /R S ビット 8 10 12 14 16 フル・スケール範囲 PPM 3906 977 244 61 15.3 2mA 7.8µA 1.95µA 488nA 122nA 30.5nA 20V 78mV 19.5mV 4.88mV 1.22mV 305µV 50V 200V 195mV .78V 48.8mV 195mV 12.2mV 48.8mV 3.05mV 12.2mV .763mV 3.05mV 表1. 様々な出力レベルに対するLSB値 AN07U