用數(shù)字示波器測試開關(guān)電源的方法

從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關(guān)電源，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復(fù)雜、動態(tài)的工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開關(guān)電源，也要能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其平均工作電平的瞬間峰值。設(shè)計電源或系統(tǒng)中要使用電源的工程師需要了解在靜態(tài)條件以及最差條件下電源的工作情況。

過去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數(shù)字萬用表測量靜態(tài)電流和電壓，并用計算器或PC進(jìn)行艱苦的計算。今天，大多數(shù)工程師轉(zhuǎn)而將示波器作為他們的首選電源測量平臺。現(xiàn)代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件，簡化了設(shè)置，并使得動態(tài)測量更為容易。用戶可以定制關(guān)鍵參數(shù)、自動計算，并能在數(shù)秒鐘內(nèi)看到結(jié)果，而不只是原始數(shù)據(jù)。

電源設(shè)計問題及其測量需求

理想情況下，每部電源都應(yīng)該像為它設(shè)計的數(shù)學(xué)模型那樣地工作。但在現(xiàn)實(shí)世界中，元器件是有缺陷的，負(fù)載會變化，供電電源可能失真，環(huán)境變化會改變性能。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設(shè)計更加復(fù)雜。考慮這些問題：

電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續(xù)多長時間？電源散發(fā)多少熱量？過熱時會怎樣？它需要多少冷卻氣流？負(fù)載電流大幅增加時會怎樣？設(shè)備能保持額定輸出電壓嗎？電源如何應(yīng)對輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時會怎樣？

設(shè)計人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴(yán)格的EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)的電源。只有一套嚴(yán)格的測量體系才能讓工程師達(dá)到這些目標(biāo)。

示波器和電源測量

對那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因?yàn)槠漕l率相對較低。實(shí)際上，電源測量中也有很多高速電路設(shè)計師從來不必面對的挑戰(zhàn)。

整個開關(guān)設(shè)備的電壓可能很高，而且是“浮動的”，也就是說，不接地。信號的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會變化。必須如實(shí)捕獲并分析波形，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲器，以提供長時間低頻采集結(jié)果的記錄空間。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號。

開關(guān)電源基礎(chǔ)

大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結(jié)構(gòu)是開關(guān)電源(開關(guān)電源)，它因?yàn)槟軌蛴行У貞?yīng)對變化負(fù)載而眾所周知。典型開關(guān)電源的電能信號路徑包括無源器件、有源器件和磁性元件。開關(guān)電源盡可能少地使用損耗性元器件(如電阻和線性晶體管)，而主要使用(理想情況下)無損耗的元器件：開關(guān)晶體管、電容和磁性元件。

開關(guān)電源設(shè)備還有一個控制部分，其中包括脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器脈頻調(diào)制調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路1等組成部分。控制部分可能有自己的電源。圖1是簡化的開關(guān)電源示意圖，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。

開關(guān)電源技術(shù)使用了金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。這些器件開關(guān)時間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開通還是斷開狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開關(guān)器件在很大程度上決定了開關(guān)電源的總體性能。對開關(guān)器件的主要測量包括：開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)及其他。

圖1.?開關(guān)電源簡化示意圖。

圖2.MOSFET開關(guān)器件，顯示了測量點(diǎn)。

準(zhǔn)備進(jìn)行電源測量:

準(zhǔn)備進(jìn)行開關(guān)電源的測量時，一定要選擇合適的工具，并且設(shè)置這些工具，使它們能夠準(zhǔn)確、可重復(fù)地工作。當(dāng)然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應(yīng)開關(guān)電源的開關(guān)頻率。電源測量最少需要兩個通道，一個用于電壓，一個用于電流。有些設(shè)施同樣重要，它們可以使電源測量更容易、更可靠。下面是一部分要考慮的事項(xiàng)：

儀器能在同一次采集中處理開關(guān)器件的開通和斷開電壓嗎？這些信號的比例可能達(dá)到100,000:1。

有可靠、準(zhǔn)確的電壓探頭和電流探頭嗎？有可以校正它們的不同延遲的有效方法嗎？

有沒有有效的方法來將探頭的靜態(tài)噪聲降至最低？

儀器能夠配備足夠的記錄長度，以很高的采樣速率捕獲較長的完整工頻波形嗎？

這些特征是進(jìn)行有意義且有效的電源設(shè)計測量的基礎(chǔ)。

測量一次采集中的100伏和100毫伏電壓

要測量開關(guān)器件的開關(guān)損耗和平均功率損耗，示波器首先必須分別確定在斷開和開通時開關(guān)器件上的電壓。

在AC/DC變流器中，開關(guān)器件上的電壓動態(tài)范圍非常大。開通狀態(tài)下開關(guān)器件上通過的電壓取決于開關(guān)器件的類型。在圖2所示的MOSFET管中，開通電壓為導(dǎo)通電阻和電流的乘積。在雙極結(jié)型晶體管(BJT)和IGBT器件中，該電壓主要取決于飽和導(dǎo)通壓(VCEsat)。斷開狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開關(guān)變換器的拓?fù)洹橛嬎阍O(shè)備設(shè)計的典型直流電源使用80Vrms到264Vrms之間的通用市電電壓。

在最高輸入電壓下開關(guān)器件上的斷開狀態(tài)電壓(TP1和TP2之間)可能高達(dá)750V。在開通狀態(tài)，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1伏之間。圖3顯示了開關(guān)器件的典型信號特性。

圖3.?開關(guān)設(shè)備的典型信號

為了準(zhǔn)確地進(jìn)行開關(guān)器件電源測量，必須先測量斷開和開通電壓。然而，典型的8位數(shù)字示波器的動態(tài)范圍不足以在同一個采集周期中既準(zhǔn)確采集開通期間的毫伏級信號，又準(zhǔn)確采集斷開期間出現(xiàn)的高電壓。要捕獲該信號，示波器的垂直范圍應(yīng)設(shè)為每分度100伏。在此設(shè)置下，示波器可以接受高達(dá)1000V的電壓，這樣就可以采集700V的信號而不會使示波器過載。使用該設(shè)置的問題在于最大靈敏度(能解析的最小信號幅度)變成了1000/256，即約為4V。

有的示波器軟件可以解決這個問題，用戶可以把設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)中的RDSON或VCEsat值輸入圖4所示的測量菜單中。如果被測電壓位于示波器的靈敏度范圍內(nèi)，也可以使用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，而不是使用手動輸入的值。

圖4.輸入頁面允許用戶輸入RDSON和VCEsat的技術(shù)數(shù)據(jù)值。

圖4.?傳輸延遲應(yīng)對電源測量的影響

消除電壓探頭和電流探頭之間的時間偏差

要使用數(shù)字示波器進(jìn)行電源測量，就必須測量MOSFET開關(guān)器件(如圖2所示)漏極、源極間的電壓和電流，或IGBT集電極、發(fā)射極間的電壓。該任務(wù)需要兩個不同的探頭：一支高壓差分探頭和一支電流探頭。后者通常是非插入式霍爾效應(yīng)型探頭。這兩種探頭各有其獨(dú)特的傳輸延遲。這兩個延遲的差(稱為時間偏差)，會造成幅度測量以及與時間有關(guān)的測量不準(zhǔn)確。一定要了解探頭傳輸延遲對最大峰值功率和面積測量的影響。畢竟，功率是電壓和電流的積。如果兩個相乘的變量沒有很好地校正，結(jié)果就會是錯誤的。探頭沒有正確進(jìn)行“時間偏差校正”時，開關(guān)損耗之類測量的準(zhǔn)確性就會影響。

圖5所示的測試設(shè)置比較了探頭端部的信號(下部跡線顯示)和傳輸延遲后示波器前端面板處的信號(上部顯示)。

圖6-圖9是表明了探頭時滯影響的實(shí)際示波器屏幕圖。它使用差分探頭和電流探頭連接到DUT上。電壓和電流信號通過校準(zhǔn)夾具提供。圖6說明了電壓探頭和電流探頭之間的時滯，圖7顯示了在沒有校正兩個探頭時滯時獲得的測量結(jié)果(6.059mW)。圖8顯示了校正探頭時滯的影響。兩條參考曲線重疊在一起，表明已經(jīng)補(bǔ)償了延遲。圖9中的測量結(jié)果表明了正確校正時滯的重要性。這一實(shí)例表明，時滯引入了6%的測量誤差。準(zhǔn)確地校正時滯降低了峰到峰功率損耗測量誤差。

圖5.?傳輸延遲效應(yīng)對電源測量的影響。

圖6.電壓和電流信號之間的時間偏差。

圖7.?有時間偏差時峰值幅度和面積測量顯示為6.059?瓦。

有的電源測量軟件可以自動校正所選探頭組合的時間偏差。軟件控制示波器，并通過實(shí)時電流和電壓信號調(diào)整電壓通道和電流通道之間的延遲，以去除電壓探頭和電流探頭之間傳輸延遲的差別。

還可以使用一種靜態(tài)校正時間偏差的功能，但前提是特定的電壓探頭和電流探頭有恒定、可重復(fù)的傳輸延遲。靜態(tài)校正時間偏差的功能根據(jù)一張內(nèi)置的傳輸時間表，自動為選定探調(diào)整選定電壓和電流通道之間的延遲。該技術(shù)提供了一種快速而方便的方法，可以將時間偏差降至最小。

消除探頭零偏和噪聲

差分探頭和電流探頭可能會有很小的偏置。應(yīng)在測量前消除這一偏置，因?yàn)樗鼤绊憸y量精度。某些探頭采用內(nèi)置的自動方法消除偏置，其它探頭則要求手動消除偏置。

圖8.校正時間偏差后的電壓和電流信號。

圖9.校正時間偏差后的峰值幅度和面積測量。將此結(jié)果與圖7中的結(jié)果進(jìn)行比較。

消除偏置

大多數(shù)差分電壓探頭都有內(nèi)置的直流零偏修整控制，這使消除零偏成為一件相對簡單的步驟：準(zhǔn)備工作完成之后，接下來：

將示波器設(shè)置為測量電壓波形的平均值；

選擇將在實(shí)際測量中使用的靈敏度(垂直)設(shè)置；

不加信號，將修整器調(diào)為零，并使平均電平為0V(或盡量接近0V)。

相似地，在測量前必須調(diào)節(jié)電流探頭。在消除零偏之后：

將示波器靈敏度設(shè)置為實(shí)際測量中將要使用的值；

關(guān)閉沒有信號的電流探頭；

將直流平衡調(diào)為零；

把中間值調(diào)節(jié)到0A或盡可能接近0A；

注意，這些探頭都是有源設(shè)備，即使在靜態(tài)，也總會有一些低電平噪聲。這種噪聲可能影響那些同時依賴電壓和電流波形數(shù)據(jù)的測量。有的示波器包含一項(xiàng)信號調(diào)節(jié)功能(圖10)，可以將固有探頭噪聲的影響降至最低。

記錄長度在電源測量中的作用

示波器在一段時間內(nèi)捕獲事件的能力取決于所用的采樣速率，以及存儲采集到的信號樣本的存儲器的深度(記錄長度)。存儲器填充的速度和采樣速率成正比。如果為了提供詳細(xì)的高分辨率信號而將采樣速率設(shè)得很高，存儲器很快就會充滿。

對很多開關(guān)電源電源測量來說，必須捕獲工頻信號的四分之一周期或半個周期(90或180度)，有些甚至需要整個周期。這是為了積累足夠的信號數(shù)據(jù)，以在計算中抵消工頻電壓波動的影響。

識別真正的Ton與Toff轉(zhuǎn)換

為了精確地確定開關(guān)轉(zhuǎn)換中的損耗，首先必須濾除開關(guān)信號中的振蕩。開關(guān)電壓信號中的振蕩很容易被誤認(rèn)為開通或關(guān)斷轉(zhuǎn)換。這種大幅度振蕩是開關(guān)電源在非持續(xù)電流模式(DCM)和持續(xù)電流模式(CCM)之間切換時電路中的寄生元件造成的。

圖11以簡化形式表示出了一個開關(guān)信號。這種振蕩使示波器很難識別真正的開通或關(guān)斷轉(zhuǎn)換。一種解決方法是預(yù)先定義一個信號源進(jìn)行邊沿識別、一個參考電平和一個遲滯電平，如圖12所示。根據(jù)信號復(fù)雜度和測量要求的不同，也可以將測得信號本身作為邊沿電平的信號源。或者，也可以指定某些其它的整潔的信號。

在某些開關(guān)電源設(shè)計(如有源功率因數(shù)校正變流器)中，振蕩可能要嚴(yán)重得多。DCM模式大大增強(qiáng)了振蕩，因?yàn)殚_關(guān)電容開始和濾波電感產(chǎn)生共振。僅僅設(shè)置參考電平和磁滯電平可能不足以識別真正的轉(zhuǎn)換。

這種情況下，開關(guān)器件的柵極驅(qū)動信號(即圖1和圖2中的時鐘信號)可以確定真正的開通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換，如圖13所示。這樣就只需要適當(dāng)設(shè)置柵極驅(qū)動信號的參考電平和磁滯電平。

圖10該信號特征的典型參考電平和遲滯電平。

圖11.用于識別Ton和Toff轉(zhuǎn)換的柵極信號Vg。

圖12.開關(guān)器件的典型信號特征。

審核編輯：黃飛

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