両電源モジュール(XL6019)の素性とトラッキング電源化の構想

供給電源

素性の測定に汎用の安定化電源を使うよりも、実際に利用するACアダプターを電源にして測定します。電源は手持ちのACアダプタのうちから以前、調査した時ノイズの少なかったWii 用のACアダプター 12V/3.7A（RVL-002)を使います。下図の左端のアダプタ（No1）です。

商品ページに記載されているデータを使うと、供給電源が12Vの場合には両電源の出力電圧と電流は下図のようになります。12Vで0.78A出力です。このとき、入力電流は 2.20A と書いてありますので、Wii 用のACアダプター 12V/3.7A（RVL-002)で行けると思います。

なお、出力電流に注目すると、供給電圧を12Vから大きくしても12V出力では0.78Aで頭打ちになるような特性です。$2 \times 12 \times 0.78 = 18.7 \ [W]$ なので、出力仕様の20Wが効いているのだと思います。

電源ラインのノイズ

電源ラインのノイズ対策にコモンモードチョークを考えました。秋月で扱っているチョークコイルの手持ちがありましたのでこれを使います。スペックは min.5.5mH 2.7Arms です。
XコンとYコンはEMCの民に解説されている容量にしました。（解説の範囲で容量変更してみましたが、オシロでは差をとらえることができませんでした。）

実験回路の様子です。負荷は1/4W 1kΩを8本並列にして2W、125Ωにします。12Vのとき、96mA、1.2W の計算です。

コモンモードチョークのある無し、スパイクノイズに効くであろうYコンの容量、平滑コンデンサのある無しをパラメータとして変えながらノイズを観察したところ、コモンモードチョークなしの方が高周波のスパイクノイズらしきものが小さいという結果になりました。ブレッドボード上で組んだのでYコンのアースを取るシャシがなく、周囲の色々なものに接触させてみましたが、違いを見分けることはできませんでした。コモンモードチョークを使い切るには自分は知識不足です。

平滑コンデンサC4はジャンク箱で見つけた2700uFにしてみました。これはスイッチング周波数のリップルを取るのに効果がありました。

スパイクノイズ

違いのでなかったスパイクノイズをもう少し詳しく見てみます。結論を先に書くと、コモンモードチョークのある無しで、スパイクノイズの波形や周波数に変化は起こりませんでした。

コモンモードチョークあり

黄色の波形がスパイク部の時間軸（20ns/div)波形です。振幅88.5mVp-p、周波数は122MHzと出ています。それをFFT解析したものが青色の波形で、横軸はリニア表示で500MHz/divです。ピークにカーソルをあてて周波数を読むと、左側のカーソル位置が181MHz、右側のカーソル位置が2.5GHzです。

コモンモードチョークなし

上のチョークあり波形と見間違うくらい同じです。詳細に見比べると時間軸波形の収束具合がわずかに違うくらいです。数値上では、時間軸の黄色波形の周波数が132MHzになったくらいで振幅88.5mVp-pは同じ値です。青のFFT波形での2か所のピーク周波数 181MHz、2.5GHzは同じです。

出力部LCフィルタ

INA219は負電圧に使うのがNGなのですが、さらに2点ほど注意点があります。これらについて書いておきます。

ノイズ

INA219モジュールをプラス出力部に挟むと、スパイクノイズが大きくなりました。従来からと同じノイズで周波数125MHz前後です。振幅が大きくなります。さらに、マイナス側にも影響が出ています。

測定条件は前回と同じで、正負とも125Ωの抵抗負荷です。電流は95mA流れています。負荷抵抗の手前の電圧を見ます。

測定精度

Web上にある情報を見て、精度はそこそこ良いものと期待していたのですが、実測してみるとびっくりするくらい悪いです。2つ買って、２つとも同じでした。ノーブランドのコピー品なので仕方なしかとも思いますが、これはダメです。測定値は我が家のDMM原器 R6552 との比較です。正規品を買おうかとも考えたのですが、電圧はあっているようなので、電流のキャリブレーションをソフトで修正することにしました。

ちなみにDatasheetでは、–25°C ～ 85°C の範囲で、電流の誤差がAタイプで±1%、Bタイプで±0.5%となっています。これに比べて、今回測定した数値は論外です。

このなかに、Adafruit_INA219.cpp があり、221行目からの ina219_calValue がシャント電流を計算するキャリブレーション係数のようです。

// 5. Compute the calibration register
  // Cal = trunc (0.04096 / (Current_LSB * RSHUNT))
  // Cal = 4096 (0x1000)

  ina219_calValue = 4096;

ina219_calValue = 4096 / 1.278 ;

実際に使うであろう範囲で電流を何点か変えて、測定した結果が次表です。Adafruit_INA219.cpp はコンパイル時に読み込みますので、他の個体（例えば正規品）を使う場合はオリジナルに戻す必要があります。

測定精度 Part II

訳あってINA219を新しく入手し、測定してみるとほぼDatasheetの値が出ました。入手したINA219はAmazonで扱っていたものです。5個で1600円位です。よく見かけるものと外観が違うので心配していたのですが、ちゃんとした精度でびっくりです。（前のがおかしい。(-_-メ)）

電流のキャリブレーションを変更できるので、高精度（フル400mA）と中間精度（フル1A）で測定してみました。中間精度でも誤差が1%未満に収まっています。

シャント抵抗

興味本位で、INA219に搭載されている0.1Ωのシャント抵抗を4ワイヤー式で測定してみました。DMMは我が家の測定原器である中古のR6552です。

負電圧を測る

バイアス電圧をArduinoの持つ5Vにして、LTspiceを使って、この特性を計算してみました。±3Vの入力を0～1Vのプラス出力に変換できています。

パラメータ調整

欲しい特性の得られるR1, R2, R3 の組み合わせはExcelを使って数値で検討します。ATTとOff setなどを計算すると、入力Vinと出力ADCの関係が見えてきます。下記に色付けした値だと、入力-27VまでをADCがプラスの範囲に変換できます。

LTSpiceで試算

実測値

測定に使ったテスターの精度は良くないのですが、実測してLTSpiceのグラフと同じ表し方をしてみます。勾配0.0787でゼロ切片 2.032と、計算とほどほど近い値になりました。

この方法を使うと、Arduinoでマイナス電圧の測定ができます。ネックは60mVと分解能が粗いことです。

実験的に確認ができたので、今後、修正係数の微調整をして使おうと思います。INA219で測った正電圧と比較すると、現状でもそこそこ許容範囲の値が表示されています。（もっとも、XL6019両電源モジュールの正負電圧がどのくらい一致しているのか、まだ未確認です。）

負電圧回路を流れる電流を測る

ACS712

負電源の電流をINA219で測ろうとして失敗しました。そこで、しつこく探したらACS712という秋月扱いの電流センサーがありました。

こう書いてありますので、負電圧中の電流を測れるはずです。

オペアンプが搭載されていて、オフセットとゲインを調整できます。実際に使ってみると「負電圧中の電流を測る」という目的は達成できるのですが、非常に使いにくいという印象です。

その理由は、ホール素子なので周囲の磁場の影響をもろに受け値が変動します。調整用のドライバを近づけただけで、まったく違う値を出力します。それに、ノイズなのかIC固有の発振なのかわかりませんが、出力信号は数10kHzでランダムに振動していて、その都度、値が変わります。

出力調整

秋月モデルはオペアンプ内蔵で、出力オフセットゲインを調整できます。5A版のACS712は本来185mV/A (5.41A/V)なので、Arduino Nano では、 $5.41 \times \frac{5}{1,024} = 0.026 \ [A/LSB]$ となり、結構大きな数値です。ここは、500mA/V程度にゲイン調整しようと思います。この場合、2.4 mA/LSBになります。10LSBくらいは変動すると思うので、20~30ｍAは測定にバラツキがでるという腹積もりが必要です。

Datasheetによると入力電流と出力電圧はリニアリティがあるようなので、ひとつの電流値だけで調整を行いました。ピタリと合わせるのは無理なので、だいたい合わせておいて、最後はソフトで調整するつもりです。

センサ、電源、負荷だけで回路を作り、オフセットとゲインを事前に調整した状態で、負電源回路に組み入れました。しかし、ここでオフセットが１Vずれました。ゲインも変わってしまうようです。

薄い鉄板で作ったドーム状の磁気シールド被せたので、ドライバーなどの磁場変化には強くなりました。ただし、磁気シールドを被せたままでは調整ができないので、シールドを外すと値が変わります。

結局、負電源回路にACS712モジュールを組み入れてから、ほぼ半日かけて、オフセットとゲインを調整をやり直しました。さらに、ソフト上での微調整も行いました。

測定と表示

正電源の電圧と電流、負電源の電圧と電流を仮表示させるとこのようになります。

表示を眺めていると、負電源電流の表示が結構ばらつきます。それをArduino IDEのプロッターで表示したものが下図です。現状では100個の平均を取って表示させているのですが、それでも20mAほど値が跳ねまわっています。

ノイズフィルタ追加