用數(shù)字示波器測(cè)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(wàn)別。它們都要面對(duì)復(fù)雜、動(dòng)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(guò)其平均工作電平的瞬間峰值。設(shè)計(jì)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(guò)去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量靜態(tài)電流和電壓，并用計(jì)算器或PC進(jìn)行艱苦的計(jì)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(cè)量平臺(tái)。現(xiàn)代示波器可以配備集成的電源測(cè)量和分析軟件，簡(jiǎn)化了設(shè)置，并使得動(dòng)態(tài)測(cè)量更為容易。用戶可以定制關(guān)鍵參數(shù)、自動(dòng)計(jì)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(jì)問(wèn)題及其測(cè)量需求

理想情況下，每部電源都應(yīng)該像為它設(shè)計(jì)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(huì)變化，供電電源可能失真，環(huán)境變化會(huì)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(jì)更加復(fù)雜。考慮這些問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間？電源散發(fā)多少熱量？過(guò)熱時(shí)會(huì)怎樣？它需要多少冷卻氣流？負(fù)載電流大幅增加時(shí)會(huì)怎樣？設(shè)備能保持額定輸出電壓?jiǎn)幔侩娫慈绾螒?yīng)對(duì)輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時(shí)會(huì)怎樣？

設(shè)計(jì)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(cè)量體系才能讓工程師達(dá)到這些目標(biāo)。

示波器和電源測(cè)量

對(duì)那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測(cè)量的人來(lái)說(shuō)，電源測(cè)量可能很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠漕l率相對(duì)較低。實(shí)際上，電源測(cè)量中也有很多高速電路設(shè)計(jì)師從來(lái)不必面對(duì)的挑戰(zhàn)。

整個(gè)開關(guān)設(shè)備的電壓可能很高，而且是“浮動(dòng)的”，也就是說(shuō)，不接地。信號(hào)的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會(huì)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(duì)示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時(shí)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(chǔ)器，以提供長(zhǎng)時(shí)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(hào)。

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(duì)變化負(fù)載而眾所周知。典型開關(guān)電源的電能信號(hào)路徑包括無(wú)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(wú)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(gè)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(jiǎn)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(wú)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(chǎng)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(shí)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(duì)開關(guān)器件的主要測(cè)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(jiǎn)化示意圖。

圖2.MOSFET開關(guān)器件，顯示了測(cè)量點(diǎn)。

準(zhǔn)備進(jìn)行電源測(cè)量:

準(zhǔn)備進(jìn)行開關(guān)電源的測(cè)量時(shí)，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(cè)量最少需要兩個(gè)通道，一個(gè)用于電壓，一個(gè)用于電流。有些設(shè)施同樣重要，它們可以使電源測(cè)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?jiǎn)幔窟@些信號(hào)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(méi)有有效的方法來(lái)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(zhǎng)度，以很高的采樣速率捕獲較長(zhǎng)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(jì)測(cè)量的基礎(chǔ)。

測(cè)量一次采集中的100伏和100毫伏電壓

要測(cè)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍非常大。開通狀態(tài)下開關(guān)器件上通過(guò)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?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)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(hào)特性。

圖3.?開關(guān)設(shè)備的典型信號(hào)

為了準(zhǔn)確地進(jìn)行開關(guān)器件電源測(cè)量，必須先測(cè)量斷開和開通電壓。然而，典型的8位數(shù)字示波器的動(dòng)態(tài)范圍不足以在同一個(gè)采集周期中既準(zhǔn)確采集開通期間的毫伏級(jí)信號(hào)，又準(zhǔn)確采集斷開期間出現(xiàn)的高電壓。要捕獲該信號(hào)，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(hào)而不會(huì)使示波器過(guò)載。使用該設(shè)置的問(wèn)題在于最大靈敏度(能解析的最小信號(hào)幅度)變成了1000/256，即約為4V。

有的示波器軟件可以解決這個(gè)問(wèn)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(cè)量菜單中。如果被測(cè)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(jì)算，而不是使用手動(dòng)輸入的值。

圖4.輸入頁(yè)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(duì)電源測(cè)量的影響

消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)間偏差

要使用數(shù)字示波器進(jìn)行電源測(cè)量，就必須測(cè)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(gè)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(gè)延遲的差(稱為時(shí)間偏差)，會(huì)造成幅度測(cè)量以及與時(shí)間有關(guān)的測(cè)量不準(zhǔn)確。一定要了解探頭傳輸延遲對(duì)最大峰值功率和面積測(cè)量的影響。畢竟，功率是電壓和電流的積。如果兩個(gè)相乘的變量沒(méi)有很好地校正，結(jié)果就會(huì)是錯(cuò)誤的。探頭沒(méi)有正確進(jìn)行“時(shí)間偏差校正”時(shí)，開關(guān)損耗之類測(cè)量的準(zhǔn)確性就會(huì)影響。

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

圖6-圖9是表明了探頭時(shí)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(hào)通過(guò)校準(zhǔn)夾具提供。圖6說(shuō)明了電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯，圖7顯示了在沒(méi)有校正兩個(gè)探頭時(shí)滯時(shí)獲得的測(cè)量結(jié)果(6.059mW)。圖8顯示了校正探頭時(shí)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(cè)量結(jié)果表明了正確校正時(shí)滯的重要性。這一實(shí)例表明，時(shí)滯引入了6%的測(cè)量誤差。準(zhǔn)確地校正時(shí)滯降低了峰到峰功率損耗測(cè)量誤差。

圖5.?傳輸延遲效應(yīng)對(duì)電源測(cè)量的影響。

圖6.電壓和電流信號(hào)之間的時(shí)間偏差。

圖7.?有時(shí)間偏差時(shí)峰值幅度和面積測(cè)量顯示為6.059?瓦。

有的電源測(cè)量軟件可以自動(dòng)校正所選探頭組合的時(shí)間偏差。軟件控制示波器，并通過(guò)實(shí)時(shí)電流和電壓信號(hào)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(shí)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(shí)間偏差的功能根據(jù)一張內(nèi)置的傳輸時(shí)間表，自動(dòng)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(shí)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(huì)有很小的偏置。應(yīng)在測(cè)量前消除這一偏置，因?yàn)樗鼤?huì)影響測(cè)量精度。某些探頭采用內(nèi)置的自動(dòng)方法消除偏置，其它探頭則要求手動(dòng)消除偏置。

圖8.校正時(shí)間偏差后的電壓和電流信號(hào)。

圖9.校正時(shí)間偏差后的峰值幅度和面積測(cè)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(duì)簡(jiǎn)單的步驟：準(zhǔn)備工作完成之后，接下來(lái)：

將示波器設(shè)置為測(cè)量電壓波形的平均值；

選擇將在實(shí)際測(cè)量中使用的靈敏度(垂直)設(shè)置；

不加信號(hào)，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(cè)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(cè)量中將要使用的值；

關(guān)閉沒(méi)有信號(hào)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(huì)有一些低電平噪聲。這種噪聲可能影響那些同時(shí)依賴電壓和電流波形數(shù)據(jù)的測(cè)量。有的示波器包含一項(xiàng)信號(hào)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(zhǎng)度在電源測(cè)量中的作用

示波器在一段時(shí)間內(nèi)捕獲事件的能力取決于所用的采樣速率，以及存儲(chǔ)采集到的信號(hào)樣本的存儲(chǔ)器的深度(記錄長(zhǎng)度)。存儲(chǔ)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(hào)而將采樣速率設(shè)得很高，存儲(chǔ)器很快就會(huì)充滿。

對(duì)很多開關(guān)電源電源測(cè)量來(lái)說(shuō)，必須捕獲工頻信號(hào)的四分之一周期或半個(gè)周期(90或180度)，有些甚至需要整個(gè)周期。這是為了積累足夠的信號(hào)數(shù)據(jù)，以在計(jì)算中抵消工頻電壓波動(dòng)的影響。

識(shí)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(hào)中的振蕩。開關(guān)電壓信號(hào)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(shí)電路中的寄生元件造成的。

圖11以簡(jiǎn)化形式表示出了一個(gè)開關(guān)信號(hào)。這種振蕩使示波器很難識(shí)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(gè)信號(hào)源進(jìn)行邊沿識(shí)別、一個(gè)參考電平和一個(gè)遲滯電平，如圖12所示。根據(jù)信號(hào)復(fù)雜度和測(cè)量要求的不同，也可以將測(cè)得信號(hào)本身作為邊沿電平的信號(hào)源。或者，也可以指定某些其它的整潔的信號(hào)。

在某些開關(guān)電源設(shè)計(jì)(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(shí)別真正的轉(zhuǎn)換。

這種情況下，開關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)(即圖1和圖2中的時(shí)鐘信號(hào))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(dòng)信號(hào)的參考電平和磁滯電平。

圖10該信號(hào)特征的典型參考電平和遲滯電平。

圖11.用于識(shí)別Ton和Toff轉(zhuǎn)換的柵極信號(hào)Vg。

圖12.開關(guān)器件的典型信號(hào)特征。

審核編輯：黃飛

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