JP2003287556A - 平滑用コンデンサの特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンピュータの直流電源等に用いる平滑用コ
ンデンサの等価直列抵抗値、等価直列インダクタンス、
等価直列静電容量を、実使用時に近い状態で高精度で測
定することができる測定装置を提供する。 【解決手段】 鋸歯状波電流ｉ（ｔ）を発生する鋸歯状
波電流源２１を備え、鋸歯状波電流を被測定コンデンサ
１３へ導く電流パターンと被測定コンデンサの両端の電
圧波形を観測または測定に導く電圧検出パターンを有
し、該電圧検出パターンを介して観測されたまたは測定
された電圧波形を対称成分と非対称成分に分解して、該
成分の値よりコンデンサの諸定数を算出する。このこと
により、実際のＤＣ／ＤＣコンバータと同様の動作状態
での平滑用コンデンサの等価直列抵抗、等価直列インダ
クタンス、等価直列静電容量の測定が可能となる。特
に、損失評価に必要な等価直列抵抗の値を正確に測定で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータの電源回路等に用いられるＤＣ／ＤＣコンバータ
の平滑用コンデンサに係り、特にその等価直列抵抗、等
価直列インダクタンス、等価直列静電容量を測定する測
定装置及びその測定方法に関する。特に、上記諸定数を
高精度で測定することが出来て、測定確度の高い測定装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今、特にノート型パーソナルコンピュ
ータ等は、ＣＰＵチップの低電圧化が進んでいるが、直
流電源からは、＋１０〜＋１５Ｖ程度の比較的高い直流
電圧が供給される。このため、図１に示すように鋸歯状
波電流を用いたＤＣ／ＤＣコンバータ１１により、ＣＰ
Ｕチップ１２に好適な低い直流電圧に変換して、平滑用
コンデンサ１３で電圧を平滑化すると共に電力を蓄積
し、ＣＰＵチップ１２に電力を供給している。このよう
な用途のＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、低電圧大電流化
が進んでおり、低損失化を図るため、平滑用コンデンサ
１３の低損失化が要求されている。

【０００３】ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる平滑用
コンデンサ１３は、図２に示すように、等価直列抵抗Ｒ
ｓ、等価直列インダクタンスＬｓ、等価直列静電容量Ｃ
からなる等価回路で表される。従来、これらの諸定数
は、ＬＣＲメータやインピーダンスアナライザによって
測定されていた。しかしながら、ＬＣＲメータやインピ
ーダンスアナライザの測定波形は正弦波であり、電流も
数十ｍＡ以下と小さい。ところが、実際のＤＣ／ＤＣコ
ンバータの平滑用コンデンサに流れる電流は周波数の高
い鋸歯状波であり、その値も数〜数十Ａに及ぶ。このた
め、ＬＣＲメータやインピーダンスアナライザで得られ
た等価直列抵抗Ｒｓ、等価直列インダクタンスＬｓ、等
価直列静電容量Ｃは、実使用時とは条件がはるかに異な
る状態で測定されたものである。

【０００４】さらに、ＬＣＲメータやインピーダンスア
ナライザは正弦波の電流、電圧、位相差から等価直列抵
抗、等価直列インダクタンス、等価直列静電容量を算出
しているため、特にＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる
平滑用コンデンサでは、損失に直接影響する等価直列抵
抗の測定確度が悪いという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パーソナルコンピュー
タ等の直流電源回路に用いられる平滑用コンデンサの等
価直列抵抗、等価直列インダクタンス、等価直列静電容
量を、実使用時に近い状態で高精度で測定することがで
きる測定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の測定装置は、鋸歯状波電流を発生する鋸歯
状波電流源と、該鋸歯状波電流を電圧に変換し波形表示
装置へ出力する電流電圧変換器と、被測定コンデンサを
搭載する基板と、該被測定コンデンサの両端の電圧を増
幅し波形表示装置へ出力する電圧検出器とを備え、上記
鋸歯状波電流を被測定コンデンサへ導く電流パターンと
被測定コンデンサの両端の電圧波形を観測または測定に
導く電圧検出パターンを有し、該電圧検出パターンを介
して観測されたまたは測定された電圧波形を対称成分と
非対称成分に分解して、該成分の値よりコンデンサの諸
定数を算出することを特徴とする。

【０００７】上記電圧検出パターンの出力端に抵抗とコ
ンデンサからなる低域フィルタを配置して、該抵抗の両
端の電圧波形を出力して変化分（ＡＣ分）のみの波形を
出力することが好ましい。これにより、観測・測定のダ
イナミックレンジを広げることができる。

【０００８】また、コンデンサの等価直列抵抗または等
価直列インダクタンスまたは等価直列静電容量を測定す
る測定装置は、基板の表面と裏面に交差して形成された
一対の導体パターンである電圧検出パターンを有し、ま
たは、基板上に形成された導体平面パターンと補正コイ
ルから構成され、該補正コイルは上記電流パターンと磁
気的に結合する位置に配置された電圧検出パターンを有
し、または基板上に立体的に形成され一対の交差する構
造体で構成された電圧検出パターンを有することが好ま
しい。これにより、等価直列インダクタンスによって発
生する電圧の影響を相殺して、等価直列抵抗Ｒｓを精度
よく測定することが可能となる。

【０００９】また、上記電流電圧変換器の出力を入力と
する第一のサンプルホールド回路と、該第一のサンプル
ホールド回路の出力を入力とする第一のＡ／Ｄ変換器
と、上記電圧検出器の出力を入力とする第二のサンプル
ホールド回路と、該第二のサンプルホールド回路の出力
を入力とする第二のＡ／Ｄ変換器とを備え、上記コンデ
ンサの諸定数をデジタル演算により算出することが好ま
しい。これにより、コンデンサの等価直列抵抗または等
価直列インダクタンスまたは等価直列静電容量を、デジ
タルで演算し自動的に求めることが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図３乃至図１８を参照して説明する。

【００１１】本発明では、以下の原理でコンデンサの等
価直列静電容量Ｃ、等価直列インダクタンスＬｓ、等価
直列抵抗Ｒｓを測定する。まず、コンデンサに鋸歯状波
電流を流した場合の端子電圧を想定する。図３に示すよ
うに、等価直列静電容量Ｃ、等価直列インダクタンスＬ
ｓ、等価直列抵抗Ｒｓの各成分に電流ｉ（ｔ）を供給す
ると、これに対応する電圧Ｖｃ（ｔ）（Ｃに対応す
る）、ＶＬ（ｔ）（Ｌｓに対応する）、ＶＲ（ｔ）（Ｒ
ｓに対応する）は、図４のようにそれぞれ特徴ある波形
を示す。もちろん、静電容量Ｃ、等価直列インダクタン
スＬｓ、等価直列抵抗Ｒｓは、被測定コンデンサ内にそ
れぞれ集中してあるわけではなく、全体に分布している
と考えられるが、それぞれの成分の大小により、どのよ
うに電圧波形Ｖ（ｔ）が変化するのかを考察する上で
は、分離して考えることができる。

【００１２】図４に示すように、被測定コンデンサに
電流波形のような鋸歯状波電流を流すと、キャパシタ
ンス成分両端電圧Ｖｓ（ｔ）、インダクタンス成分両
端電圧ＶＬ（ｔ）、抵抗成分両端電圧ＶＲ（ｔ）のよ
うな各成分に応じた電圧が現れる。これらの加算合計が
平滑コンデンサ両端電圧Ｖ（ｔ）になる。ここで、注
目すべきは、各成分がＶ（ｔ）に与える波形上の特徴で
ある。

【００１３】図４のｔａは、電流ｉ（ｔ）が上昇から下
降に転じる時刻、ｔｂは逆に下降から上昇に転じる時刻
である。ｔｃは再び下降に転じる時刻で、定常状態では
ｉ（ｔａ）＝ｉ（ｔｃ）、Ｖｃ（ｔａ）＝Ｖｃ（ｔ
ｃ）、ＶＬ（ｔａ）＝ＶＬ（ｔｃ）、ＶＲ（ｔａ）＝Ｖ
Ｒ（ｔｃ）、Ｖ（ｔａ）＝Ｖ（ｔｃ）となる、また、ｔ
ｍはｔａとｔｂの２等分点の時刻、ｔｎはｔｂとｔｃの
２等分点の時刻である。Ｖｃ（ｔ）及びＶＬ（ｔ）はｔ
ｍまたはｔｎを中心軸として線対称となり、ＶＲ（ｔ）
のみが非対称である。

【００１４】従って、Ｖｃ（ｔ）、ＶＬ（ｔ）、ＶＲ
（ｔ）の単純加算であるＶ（ｔ）のｔｍまたはｔｎの非
対称成分はＶＲ（ｔ）に起因すると考えてよい。既知の
電流ｉ（ｔ）を被測定コンデンサに通電した場合、Ｖｃ
（ｔ）、ＶＬ（ｔ）、ＶＲ（ｔ）は独立して測定するこ
とはできないが、Ｖ（ｔ）の波形を観測し、非対称性に
着目して、Ｖｃ（ｔ）、ＶＬ（ｔ）、ＶＲ（ｔ）の各成
分に分解することが可能である。

【００１５】この原理より、各成分は下式のように算出
できる。Ｒｓについて：

【数１】

【００１６】Ｌｓについて：

【数２】

【００１７】Ｃについて：

【数３】 この計算は、ｉ（ｔ）下降時のＶ（ｔ）から各成分を算
出する方法であるが、もちろん時刻ｔｎを中心としてｉ
（ｔ）上昇時のＶ（ｔ）から各成分を算出することも同
様に可能である。

【００１８】図５は、既知の鋸歯状波電流ｉ（ｔ）を被
測定コンデンサに流し、Ｖ（ｔ）を測定する装置の構成
を示す。これは、オシロスコープなどの波形観測機器２
４によりＶ（ｔｍ−τ）とＶ（ｔｍ＋τ）を読み取る場
合を示している。図５の電流電圧変換器２３は、カレン
トトランス、カレントプローブ、電流検出抵抗器と差動
増幅器で構成したものなどを用いる。

【００１９】この装置においては、鋸歯状波電流源２１
より上記鋸歯状波電流を被測定コンデンサ１３に供給す
る。そして、その両端に生じる電圧Ｖ（ｔ）を電圧検出
器２２にて検出し、波形表示装置２４に入力する。ま
た、鋸歯状波電流ｉ（ｔ）を上記電流電圧変換器２３に
て検出し、電流ｉ（ｔ）に比例した電圧として波形表示
装置２４に入力する。従って、波形表示装置２４では、
被測定コンデンサ１３に流れる電流ｉ（ｔ）と、その両
端に生じる電圧Ｖ（ｔ）とを、対比して表示することが
できる。

【００２０】図６は、サンプリング回路を付加して、自
動測定する場合の構成である。即ち、波形表示装置２４
に代えて、サンプルホールド回路２５ａ，２５ｂおよび
Ａ／Ｄコンバータ２６ａ，２６ｂおよびデジタル演算表
示回路２７を用いたものである。電流電圧変換器２３で
検出された鋸歯状波電流ｉ（ｔ）は、サンプルホールド
回路２５ａによりサンプルホールドされたアナログ値が
Ａ／Ｄコンバータ２６ａによりデジタル値に変換され、
デジタル演算表示回路２７に入力される。また、電圧変
換器２２で検出された被測定コンデンサ１３の両端電圧
Ｖ（ｔ）は、同様にサンプルホールド回路２５ｂにより
サンプルホールドされたアナログ値がＡ／Ｄコンバータ
２６ｂによりデジタル値に変換され、デジタル演算表示
回路２７に入力される。これにより、図４および上記計
算式に示す、各測定値が演算表示回路２７により自動的
に演算して表示される。ここで、発振回路およびタイミ
ング調整回路２８は、鋸歯状波電流源２１および演算表
示回路２７をタイミング制御する。

【００２１】図７は、このサンプリング及び演算、表示
のタイミング例を示す。図示するように、電流ｉ（ｔ）
および電圧Ｖ（ｔ）は、時刻ｔａ、ｔｍ、ｔｂの近傍で
サンプリングされ、図４に示すのと等価なデータがデジ
タル演算により得られる。

【００２２】次に、被測定コンデンサを実装して測定に
供する基板上の導体パターンについて述べる。図８は基
本的な接続パターンの構成例を示す。比較的大電流で微
小な直列等価抵抗Ｒｓなどを測定するため、電流パター
ン３１ａ，３１ｂと、電圧検出パターン３２ａ，３２ｂ
を分離した４端子測定を行う必要がある。図８のＲとＣ
は被測定コンデンサ１３の直流分のみを取り出すフィル
タであり、差動増幅器２２を図８のように接続すること
により、Ｖ（ｔ）の交流成分のみを増幅する。これは、
測定のダイナミックレンジを上げるための構成である。
等価直列インダクタンスＬｓを正確に測定するために
は、電圧検出パターン３２ａ，３２ｂの間隔ｄは、被測
定コンデンサ１３の電極幅にとるのが望ましいが、後述
のように等価直列インダクタンスＬｓが大きいと等価直
列抵抗Ｒｓの測定精度が上がらないため、等価直列抵抗
Ｒｓ測定時には後述の別パターンを使用することが望ま
しい。

【００２３】図９は、等価直列インダクタンスＬｓの影
響によるコンデンサ両端電圧波形例を示す。等価直列イ
ンダクタンスによる電圧は電流変化点での段差ΔＶＬと
なって現れる。等価直列インダクタンスＬｓが大きく、
等価直列抵抗Ｒｓが比較的に小さいと、図９の上段に示
すように、Ｖ（ｔｍ＋τ）−Ｖ（ｔｍ−τ）の値がＶｐ
-ｐに比較して小さくなってしまう。これに対して、等
価直列インダクタンスＬｓが小さく、等価直列抵抗Ｒｓ
が相対的に大きくなると、図９の下段に示すように、Ｖ
（ｔｍ＋τ）−Ｖ（ｔｍ−τ）の値がＶｐ-ｐに比較し
て大きくなる。従って、Ｖ（ｔ）を増幅する増幅器のダ
イナミックレンジを考慮すると、なるべく等価直列イン
ダクタンスＬｓ成分の影響を小さくしたほうが図９の下
段に示すように等価直列抵抗Ｒｓの測定精度が向上す
る。

【００２４】次に、等価直列インダクタンスＬｓの影響
を低減するための電圧検出パターンの構成例について述
べる。図１０は、電圧を検出する導体パターン３３ａ，
３３ｂを回路基板の表裏面に、交差するように配置して
ある。電圧検出パターン３３ａ，３３ｂを交差させるこ
とにより、コンデンサを流れる電流変化ｄｉ（ｔ）／ｄ
ｔが等価直列インダクタンスＬｓによって発生させるＶ
Ｌ（ｔ）を、ｉ（ｔ）に磁気的に結合した電圧検出パタ
ーンに誘起する電圧で相殺することができる。

【００２５】次に、図１１は交差する電圧検出パターン
３４ａ，３４ｂを平面状ではなく立体的に構成したもの
である。図示するように、電圧検出導体３４ａ，３４ｂ
が三次元的に配置され、コンデンサ電極に接続された二
本の導体が互いに磁気的に結合するように配置されてい
る。図１０の平面パターンより結合を上げられるので相
殺の効率が高い。ただし、渦電流が発生しないように電
流パターンに水平な部分はなるべく細い導体で籠状に構
成するのが望ましい。

【００２６】図１２は、等価直列インダクタンスＬｓの
影響を打ち消すための補正コイル３５を設けた構成例で
ある。補正コイル３５は電流パターン３１ａ，３１ｂを
流れる電流が作る磁束と図中矢印Ｍで示す向きで磁気結
合させる。

【００２７】図１３は、補正コイル３５に加え、不平衡
増幅器３６を用いた構成例である。この例では、電流パ
ターン３１ａ側のＧＮＤと増幅器３６のＧＮＤの間のパ
ターン抵抗が、測定すべき被測定コンデンサの等価直列
抵抗Ｒｓより十分に小さくなければならない。

【００２８】図１４は、補正用コイル３５の電圧を独立
した差動増幅器３７ａ，３７ｂで増幅した後、加算器３
８によりＶ（ｔ）と加算するものである。差動増幅器の
ダイナミックレンジは広くなければならないが、差動増
幅器３７ａ，３７ｂのゲインを調節することによりΔＶ
Ｌの大きさが任意に決められる利点を有する。

【００２９】図１５は、不平衡型の増幅器３６ａ，３６
ｂで図１４と同様の補正をかける構成である。この場
合、電流パターン３１ａ側のＧＮＤと増幅器３６ｂのＧ
ＮＤの間のパターン抵抗が、測定すべき被測定コンデン
サの等価直列抵抗Ｒｓより十分に小さくなければならな
い。

【００３０】次に、被測定コンデンサ１３を基板に実装
せずに、テストフィクスチャーを使用する場合の、電流
電極について述べる。この構造は、被測定コンデンサ１
３の電極１４ａ，１４ｂにプローブ４０を用いて接続す
るものである。電流を電極１４ａ，１４ｂへなるべく均
一に流すため、複数のコンタクトピン（プローブ）４０
を用いることが望ましいが、ピン先端と電極間の接触抵
抗ｒにぱらつきが生じると各ピンに均一の電流が流れな
い。そこで、図１６（ｃ）に示すように、電流プローブ
４０に直列に電流均一化抵抗Ｒを接続して電流の均一化
を図ることが望ましい。電流均一化抵抗Ｒは接触抵抗ｒ
に対して十分大きい必要がある。

【００３１】図１７は、針状の電流プローブ４０の代わ
りに水銀などのきわめて導電性の良い液体４１を使用す
る例である。これにより、接触電位差を極めて小さくす
ることが可能である。

【００３２】図１８に他の実施形態の測定回路を示す。
スイッチング制御回路で２つのＦＥＴを交互にＯＮ／Ｏ
ＦＦして鋸歯状波電流源２１を構成し、被測定コンデン
サ１３に鋸歯状波電流を流す。疑似負荷４４は、安定に
定常電流を流す目的と、被測定コンデンサ１３に直流バ
イアス電圧をかける目的で挿入されている。

【００３３】これまで本発明の一実施形態について説明
したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技
術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施され
てよいことは言うまでもない。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、鋸歯状波電流を被測定
コンデンサへ導く電流パターンと、これに分離して被測
定コンデンサの両端の電圧波形を観測または測定に供す
る電圧検出パターンを設けて、観測されたまたは測定さ
れた電圧波形を対称成分と非対称成分に分解して、該成
分の値よりコンデンサの等価直列抵抗または等価直列イ
ンダクタンスまたは等価直列静電容量を算出している。
このことにより、実際のコンピュータ直流電源等に用い
られるＤＣ／ＤＣコンバータと同様の動作状態での、平
滑用コンデンサの等価直列抵抗、等価直列インダクタン
ス、等価直列静電容量の測定が可能となる。特に、損失
評価に必要な等価直列抵抗の値を正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＰＵ直流電源用ＤＣ／ＤＣコンバータの基本
回路を示す図である。

【図２】平滑コンデンサの等価回路（その１）を示す図
である。

【図３】平滑コンデンサの等価回路（その２）を示す図
である。

【図４】平滑コンデンサに流す鋸歯状波電流波形及び各
部の電圧波形を示す図である。

【図５】本発明の実施形態の測定装置のブロック構成
（波形）を示す図である。

【図６】図５の変形例の測定装置を示す図である。

【図７】サンプリングおよび演算、表示のタイミングを
示す図である。

【図８】被測定コンデンサを実装した図（基本図）であ
り、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。

【図９】検出された電圧波形例を示す波形図である。

【図１０】等価直列抵抗Ｒｓ測定精度向上のための変形
実施例を示す図で、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上
面図であり、（ｃ）は等価回路図である。

【図１１】等価直列抵抗Ｒｓ測定精度向上のための変形
実施例を示す図で、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上
面図であり、（ｃ）は等価回路図である。

【図１２】等価直列抵抗Ｒｓ測定精度向上のための変形
実施例を示す図で、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上
面図であり、（ｃ）はその等価回路である。

【図１３】等価直列抵抗Ｒｓ測定精度向上のための変形
実施例を示す図で、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上
面図であり、（ｃ）はその等価回路である。

【図１４】等価直列抵抗Ｒｓ測定精度向上のための変形
実施例を示す図で、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上
面図であり、（ｃ）はその等価回路である。

【図１５】等価直列抵抗Ｒｓ測定精度向上のための変形
実施例を示す図で、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上
面図であり、（ｃ）はその等価回路である。

【図１６】デストフィクスチャを使用する場合の、電流
を供給する接続構造を説明する図であり、（ａ）は側面
図であり、（ｂ）は上面図であり、（ｃ）は電流均一化
のため抵抗Ｒを接続した図である。

【図１７】図１６の変形例を説明する図である。

【図１８】本発明の他の実施例の測定回路を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ １２ ＣＰＵ １３ 平滑用コンデンサ ２１ 鋸歯状波電流源 ２２ 電圧検出器 ２３ 電流電圧変換器 ２４ 波形表示装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋸歯状波電流を発生する鋸歯状波電流源
   と、該鋸歯状波電流を電圧に変換し波形表示装置へ出力
   する電流電圧変換器と、被測定コンデンサを搭載する基
   板と、該被測定コンデンサの両端の電圧を増幅し波形表
   示装置へ出力する電圧検出器とを備え、 上記鋸歯状波電流を被測定コンデンサへ導く電流パター
   ンと被測定コンデンサの両端の電圧波形を観測または測
   定に導く電圧検出パターンを有し、該電圧検出パターン
   を介して観測されたまたは測定された電圧波形を対称成
   分と非対称成分に分解して、該成分の値よりコンデンサ
   の諸定数を算出することを特徴とする平滑用コンデンサ
   の特性測定装置。
2. 【請求項２】 上記電圧検出パターンの出力端に抵抗と
   コンデンサからなる低域フィルタを配置して、該抵抗の
   両端の電圧波形を出力することを特徴とする請求項１に
   記載の平滑用コンデンサの特性測定装置。
3. 【請求項３】 上記電圧検出パターンが、基板の表面と
   裏面に交差して形成された一対の導体パターンであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の平滑用コンデンサの特
   性測定装置。
4. 【請求項４】 上記電圧検出パターンが、基板上に形成
   された導体平面パターンと補正コイルから構成され、該
   補正コイルは上記電流パターンと磁気的に結合する位置
   に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の平
   滑用コンデンサの特性測定装置。
5. 【請求項５】 上記電圧検出パターンが、基板上に立体
   的に形成された一対の交差する構造体であることを特徴
   とする請求項１に記載の平滑用コンデンサの特性測定装
   置。
6. 【請求項６】 上記電流電圧変換器の出力を入力とする
   第一のサンプルホールド回路と、該第一のサンプルホー
   ルド回路の出力を入力とする第一のＡ／Ｄ変換器と、上
   記電圧検出器の出力を入力とする第二のサンプルホール
   ド回路と、該第二のサンプルホールド回路の出力を入力
   とする第二のＡ／Ｄ変換器とを備え、 上記コンデンサの諸定数をデジタル演算により算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の平滑用コンデンサの
   特性測定装置。
7. 【請求項７】 被測定コンデンサに鋸歯状波電流を供給
   し、検出された電圧波形を対称成分と非対称成分に分解
   して、上記コンデンサの等価直列抵抗または等価直列イ
   ンダクタンスまたは等価直列静電容量を測定することを
   特徴とする平滑用コンデンサの特性測定方法。