示波器測試開關電源

在實際的應用中，工程師們經(jīng)常遇到需要進行功率測量的場景，除卻專門的功率分析儀可以完成測量之外，日常使用的示波器也能為其所用。

理論來說，功率等于電壓乘以電流，而示波器是電壓響應儀器，如何來進行功率分析呢？示波器配備電流探頭后，通過電流探頭把電流信號轉換成電壓信號，即可達到測量電流的目的，因此示波器可以測量功率。

首先讓我們明確示波器功率分析能做到哪些功能：

1. 分析整體諧波失真、有效功率、視在功率、功率因素、波峰因素

2. 根據(jù)IEC61000-3-2標準進行電流諧波測試

3. 測量開關設備的開關損耗和導通損耗。

4. 分析電流和電壓的轉換速率dl/dt和dV/dt

5. 自動設置示波器紋波測量

6. 對脈沖寬度調制進行分析

從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關電源 ，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復雜、動態(tài)的工作環(huán)境。設備負載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開關電源，也要能夠承受遠遠超過其平均工作電平的瞬間峰值。設計電源或系統(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 進行艱苦的計算。今天，大多數(shù)工程師轉而將 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，簡化了設置，并使得動態(tài)測量更為容易。用戶可以定制關鍵參數(shù)、自動計算，并能在數(shù)秒鐘內看到結果，而不只是原始數(shù)據(jù)。

電源設計問題及其測量需求

理想情況下，每部電源都應該像為它設計的數(shù)學模型那樣地工作。但在現(xiàn)實世界中，元器件是有缺陷的，負載會變化，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計更加復雜。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？負載電流大幅增加時會怎樣？設備能保持額定輸出電壓嗎？電源如何應對輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時會怎樣？

設計人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴格的EMI/EMC 標準的電源。只有一套嚴格的測量體系才能讓工程師達到這些目標。

示波器和電源測量

對那些習慣于用示波器進行高帶寬測量的人來說，電源測量可能很簡單，因為其頻率相對較低。實際上，電源測量中也有很多高速電路設計師從來不必面對的挑戰(zhàn)。

整個開關設備的電壓可能很高，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。

開關電源基礎

大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結構是開關電源（SMPS），它因為能夠有效地應對變化負載而眾所周知。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：開關晶體管、電容和磁性元件。

SMPS 設備還有一個控制部分，其中包括脈寬調制調節(jié)器脈頻調制調節(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SMPS 示意圖，圖中顯示了電能轉換部分，包括有源器件、無源器件以及磁性元件。

SMPS 技術使用了金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）與絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 等功率半導體開關器件。這些器件開關時間短，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。開關器件在很大程度上決定了SMPS 的總體性能。對開關器件的主要測量包括：開關損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)及其他。

圖1. 開關電源簡化示意圖。

圖2. MOSFET 開關器件，顯示了測量點。

準備進行電源測量

準備進行開關電源的測量時，一定要選擇合適的工具，并且設置這些工具，使它們能夠準確、可重復地工作。當然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應SMPS的開關頻率。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：

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

有可靠、準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？

這些特征是進行有意義且有效的電源設計測量的基礎。

測量一次采集中的100 伏和100 毫伏電壓

要測量開關器件的開關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器件上的電壓。

在AC/DC 變流器中，開關器件上的電壓動態(tài)范圍非常大。開通狀態(tài)下開關器件上通過的電壓取決于開關器件的類型。在圖2 所示的MOSFET 管中，開通電壓為導通電阻和電流的乘積。在雙極結型晶體管 （BJT） 和IGBT 器件中，該電壓主要取決于飽和導通壓 （VCEsat）。斷開狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開關變換器的拓撲。為計算設備設計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器件上的斷開狀態(tài)電壓 （TP1 和TP2之間） 可能高達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 顯示了開關器件的典型信號特性。

圖3. 開關設備的典型信號

為了準確地進行開關器件電源測量，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確采集開通期間的毫伏級信號，又準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設為每分度100伏。在此設置下，示波器可以接受高達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 軟件解決了這個問題，用戶可以把設備技術數(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，DPOPWR 也可以使用采集的數(shù)據(jù)進行計算，而不是使用手動輸入的值。

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

圖4. 傳輸延遲應對電源測量的影響

消除電壓探頭和電流探頭之間的時間偏差

要使用數(shù)字示波器進行電源測量， 就必須測量MOSFET 開關器件 （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型探頭。這兩種探頭各有其獨特的傳輸延遲。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的測量不準確。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，結果就會是錯誤的。探頭沒有正確進行“時間偏差校正”時，開關損耗之類測量的準確性就會影響。

圖5 所示的測試設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)補償了延遲。圖9 中的測量結果表明了正確校正時滯的重要性。這一實例表明，時滯引入了6% 的測量誤差。準確地校正時滯降低了峰到峰功率損耗測量誤差。

圖5. 傳輸延遲效應對電源測量的影響。

圖7. 有時間偏差時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校正所選探頭組合的時間偏差。該軟件控制示波器，并通過實時電流和電壓信號調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、可重復的傳輸延遲。靜態(tài)校正時間偏差的功能根據(jù)一張內置的傳輸時間表，自動為選定探頭 （如本文檔中討論的Tektronix 探頭） 調整選定電壓和電流通道之間的延遲。該技術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。應在測量前消除這一偏置，因為它會影響測量精度。某些探頭采用內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。將此結果與圖7 中的結果進行比較。

自動消除偏置

配有TekVPITM 探頭接口的探頭與示波器相結合，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，會自動清除測量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差。TekVPITM電流探頭還在探頭機身上有一個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。

手動消除偏置

大多數(shù)差分電壓探頭都有內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：準備工作完成之后，接下來：

將示波器設置為測量電壓波形的平均值；

選擇將在實際測量中使用的靈敏度 （垂直） 設置；

不加信號，將修整器調為零，并使平均電平為0 V （或盡量接近0 V）。

相似地，在測量前必須調節(jié)電流探頭。在消除零偏之后：

將 示波器 靈敏度設置為實際測量中將要使用的值；

關閉沒有信號的電流探頭；

將直流平衡調為零；

把中間值調節(jié)到0 A 或盡可能接近0 A；

注意，這些探頭都是有源設備，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。DPOPWR 軟件包包含一項信號調節(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。如果為了提供詳細的高分辨率信號而將采樣速率設得很高，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 轉換

為了精確地確定開關轉換中的損耗，首先必須濾除開關信號中的振蕩。開關電壓信號中的振蕩很容易被誤認為開通或關斷轉換。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信號。這種振蕩使示波器很難識別真正的開通或關斷轉換。一種解決方法是預先定義一個信號源進行邊沿識別、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 開關電源 設計 （如有源功率因數(shù)校正變流器） 中，振蕩可能要嚴重得多。DCM 模式大大增強了振蕩，因為開關電容開始和濾波電感產生共振。僅僅設置參考電平和磁滯電平可能不足以識別真正的轉換。

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

圖11. 用于識別Ton 和Toff 轉換的柵極信號Vg

圖12. 開關器件的典型信號特征。