基于示波器作為測試開關(guān)電源測量的平臺研究

　　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(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(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量平臺?，F(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(dòng)態(tài)測量更為容易。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(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(jì)更加復(fù)雜?？紤]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(shí)間？電源散發(fā)多少熱量？過熱時(shí)會怎樣？它需要多少冷卻氣流？負(fù)載電流大幅增加時(shí)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(shí)會怎樣？

　　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(jì)師從來不必面對的挑戰(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，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(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器，以提供長時(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。

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)對變化負(fù)載而眾所周知。典型SMPS 的電能信號路徑包括無源器件、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) 無損耗的元器件：開關(guān)晶體管、電容和磁性元件。

　　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?？刂撇糠挚赡苡凶约旱碾娫?。圖1 是簡化的SMPS 示意圖，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。

　　SMPS 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(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(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(jì)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(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)?。為?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)的典型直流電源使用80 Vrms 到264 Vrms 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)750 V。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(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)1000 V 的電壓，這樣就可以采集700 V 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4 V。

　　泰克DPOPWR 軟件解決了這個(gè)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)，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。

　　圖4. DPOPWR 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(shí)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(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)，會造成幅度測量以及與時(shí)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(gè)相乘的變量沒有很好地校正，結(jié)果就會是錯(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(shí)滯影響的實(shí)際示波器屏幕圖。它使用泰克P5205 1.3 kV 差分探頭和TCP0030AC/DC 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(shí)滯，圖7顯示了在沒有校正兩個(gè)探頭時(shí)滯時(shí)獲得的測量結(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% 的測量誤差。準(zhǔn)確地校正時(shí)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7. 有時(shí)間偏差時(shí)峰值幅度和面積測量顯示為6.059 瓦。

　　DPOPWR電源測量軟件可以自動(dòng)校正所選探頭組合的時(shí)間偏差。該軟件控制示波器，并通過實(shí)時(shí)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(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(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。

　　　　　　　　圖9. 校正時(shí)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。

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)Probe Controls框，顯示AutoZero 功能。選擇AutoZero 選項(xiàng)，會自動(dòng)清除測量系統(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，會消除測量系統(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0 V (或盡量接近0 V)。

　　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0 A 或盡可能接近0 A；

　　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(shí)依賴電壓和電流波形數(shù)據(jù)的測量。DPOPWR 軟件包包含一項(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(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SMPS 電源測量來說，必須捕獲工頻信號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數(shù)據(jù)，以在計(jì)算中抵消工頻電壓波動(dòng)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。

　　圖11 以簡化形式表示出了一個(gè)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(gè)信號源進(jìn)行邊沿識別、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?；蛘?，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(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 (即圖1 和圖2中的時(shí)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(dòng)信號的參考電平和磁滯電平。

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。