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數(shù)字示波器測(cè)試開關(guān)電源的方法
2015-09-18
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)?，F(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?？紤]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)?？電源如何?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（SMPS），它因?yàn)槟軌蛴行У貞?yīng)對(duì)變化負(fù)載而眾所周知。典型SMPS的電能信號(hào)路徑包括無(wú)源器件、有源器件和磁性元件。SMPS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。
泰克DPOPWR軟件解決了這個(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)，DPOPWR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。 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)相乘的變量沒有很好地校正，結(jié)果就會(huì)是錯(cuò)誤的。探頭沒有正確進(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。
表明了探頭時(shí)滯影響的實(shí)際示波器屏幕圖。它使用泰克P52051.3kV差分探頭和TCP0030AC/DC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。說(shuō)明了電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯，顯示了在沒有校正兩個(gè)探頭時(shí)滯時(shí)獲得的測(cè)量結(jié)果（6.059mW）。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。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。
DPOPWR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。該軟件控制示波器，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)為選定探頭（如本文檔中討論的Tektronix探頭）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。
自動(dòng)消除偏置
配有TekVPITM探頭接口的探頭與示波器相結(jié)合，可以消除信號(hào)路徑中發(fā)生的任何DC偏置誤差。在TekVPITM探頭上按Menu按鈕，示波器上出現(xiàn)ProbeControls框，顯示AutoZero功能。選擇AutoZero選項(xiàng)，會(huì)自動(dòng)清除測(cè)量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差。TekVPITM電流探頭還在探頭機(jī)身上有一個(gè)Degauss/AutoZero按鈕。壓下AutoZero按鈕，會(huì)消除測(cè)量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差。
手動(dòng)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。DPOPWR軟件包包含一項(xiàng)信號(hào)調(diào)節(jié)功能，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SMPS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SMPS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。
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，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?；蛘?，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)可以確定真正的開通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換，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。
SMPS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SMPS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。
SMPS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SMPS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。
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)SMPS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)?？這些信號(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)?。為?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。顯示了開關(guān)器件的典型信號(hào)特性。
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。
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