Tektronix電源測量和分析入門手冊 （一 ）
在理想狀態(tài)下，每個(gè)電源的的行為方式都應(yīng)與設(shè)計(jì)使用的數(shù)學(xué)模型類似。但在實(shí)際環(huán)境中，元件是不理想的，負(fù)載會(huì)變化，線路電源可能會(huì)失真，環(huán)境變化會(huì)改變性能。此外，性能和成本需求變化也進(jìn)一步提高了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。考慮一下下面的問題：
■電源可以保持高于額定輸出容量多少瓦？保持多長時(shí)間？
■電源散發(fā)多少熱量？在過熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況？要求多少冷卻氣流？
■在負(fù)載電流大幅度提高時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況？設(shè)備能夠保持額定輸出電壓 ( 負(fù)載穩(wěn)壓 ) ？電源對輸出完全短路會(huì)作出什么樣的反應(yīng)？
■在電源輸入電壓變化時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況 ( 線路穩(wěn)壓 ) ？
設(shè)計(jì)人員需要開發(fā)出占用空間更少、能耗效率更高、減少散熱量、降低制造成本、滿足更嚴(yán)格的 EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)的電源。只有嚴(yán)格的測量體系，才能引導(dǎo)工程師實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
開關(guān)式電源基礎(chǔ)知識(shí)
在大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中，流行的 DC 電源結(jié)構(gòu)是開關(guān)式電源(SMPS)，這種電源因能夠高效處理負(fù)載變化而聞名。典型 SMPS 的電源信號(hào)路徑包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS 最大限度地減少了有損耗的元件的使用量，如電阻器和線性模式晶體管，重點(diǎn)采用(在理想條件下)沒有損耗的元件，如開關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。
SMPS 設(shè)備還包括一個(gè)控制段，其中包含脈寬調(diào)制穩(wěn)定器、脈沖速率調(diào)制穩(wěn)定器和反饋環(huán)路等單元1 。控制段可以有自己的電源。圖 1 是簡化的 SMPS 示意圖，其中顯示了包括有源單元、無源單元和磁性單元的電源轉(zhuǎn)換段。
SMPS 技術(shù)依托電源半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，如金屬氧化物場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和絕緣門雙極晶體管(IGBT)。這些設(shè)備提供了快速開關(guān)時(shí)間，能夠耐受沒有規(guī)律的電壓峰值。同樣重要的是，其在 On 狀態(tài)或Off 狀態(tài)下消耗的功率非常小，實(shí)現(xiàn)了很高的效率，而生成的熱量很低。開關(guān)設(shè)備在極大程度上決定著
SMPS 的整體性能。開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵測量項(xiàng)目包括開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等等。
有源元件測量：開關(guān)單元
開關(guān)式設(shè)備中的功率損耗原理
晶體管開關(guān)電路在轉(zhuǎn)換過程中消耗的能量通常會(huì)達(dá)到最大，因?yàn)殡娐芳纳盘?hào)會(huì)阻止設(shè)備立即開關(guān)。“關(guān)閉損耗”是指開關(guān)設(shè)備從ON 轉(zhuǎn)換成 OFF 時(shí)損耗的能量，“啟動(dòng)損耗”則是指開關(guān)設(shè)備從 OFF 轉(zhuǎn)換成 ON時(shí)損耗的能量。
關(guān)閉損耗
圖 2 說明了怎樣計(jì)算關(guān)閉損耗。在 t1 后，開關(guān)電流下降，二極管電流上升，時(shí)間 (t2-t1) 取決于驅(qū)動(dòng)器對MOSFET 的柵極到漏極電容 Cgd 的充電速度。可以使用下面的公式估算轉(zhuǎn)換過程中損耗的能量：
其中：
■ E off 是轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)損耗的平均能量。
■ V 8 .是柵極電壓。
■ L 是流經(jīng)電感器的電流。
■ 2 是轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)間。
■ 0 .是轉(zhuǎn)換開始時(shí)間。
這個(gè)公式假設(shè)流經(jīng) C ds 和 C gd 的電壓 ( 從漏極到源極的電容 ) 呈線性上升。C ds 和 C gd 是寄生電容。
在實(shí)際環(huán)境器件中，電容C ds 和C gd 呈高度非線性化，一般會(huì)隨著漏極到源極電壓變化。這在一定程度上會(huì)影響上面介紹的理論計(jì)算。在 IGBT 中，由于尾電流現(xiàn)象，電流的下降時(shí)間會(huì)比較高。這些差異使得工程師必須捕獲電壓不一致的實(shí)際曲線。帶有專用電源測量軟件的示波器可以大大簡化這些測量。
啟動(dòng)損耗
圖 3 是帶有箝位電感負(fù)載和二極管恢復(fù)電荷的MOSFET 的啟動(dòng)損耗。在使用箝位電感負(fù)載啟動(dòng)MOSFET 時(shí)，直到存儲(chǔ)的電荷恢復(fù)時(shí)才能積聚二極管電壓。因此，二極管會(huì)在負(fù)方向上持續(xù)傳導(dǎo)電流，直到阻塞電壓，這會(huì)導(dǎo)致開關(guān)發(fā)生巨大的損耗。反向恢復(fù)電流依賴于二極管路徑中的外部電路。二極管中的電荷取決于正向電流及二極管關(guān)閉轉(zhuǎn)換過程中電流下降的 di/dt。
可以使用下面的公式估算轉(zhuǎn)換過程中損耗的能量：
其中：
■ Eon .是轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)損耗的平均能量。
■ Va(t) .是瞬時(shí)柵極電壓。
■ ia(t) 是流經(jīng)開關(guān)的瞬時(shí)電流。
■ t1 是轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)間。
■ t0是轉(zhuǎn)換開始時(shí)間。
功率損耗
■ 總損耗是開關(guān)中的平均功率損耗，包括開關(guān)損耗和
傳導(dǎo)損耗。總損耗的計(jì)算公式如下：
其中：
■ P LOSS 是開關(guān)中的平均功率損耗。
■ V switch 是流經(jīng)開關(guān)的瞬時(shí)電壓。
■ I switch 是流經(jīng)開關(guān)的瞬時(shí)電流。
■ T s 是開關(guān)周期。
安全工作區(qū)
開關(guān)設(shè)備安全工作區(qū) (SOA) 指標(biāo)繪制了電壓對電流圖，以檢定設(shè)備的工作區(qū)域，其通常用來創(chuàng)建電源預(yù)計(jì)將遇到的各種工作條件的 SOA 曲線。
圖4
這個(gè)實(shí)例摘自泰克 DPOPWR，說明了 SMPS 的 SOA曲線。可以把這個(gè)曲線與開關(guān)設(shè)備制造商公布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。
開關(guān)設(shè)備制造商的產(chǎn)品技術(shù)資料會(huì)概括對開關(guān)設(shè)備的某些限制。其目標(biāo)是保證開關(guān)設(shè)備將容忍電源在最終用戶環(huán)境中必須處理的工作邊界。SOA 測試變量可能包括各種負(fù)荷方案、工作溫度變化、高和低線路輸入電壓等等。圖 4 是 SOA 曲線實(shí)例。
SOA 測試通常使用下面的公式計(jì)算功率：
動(dòng)態(tài)開點(diǎn)電阻
可以使用元件產(chǎn)品技術(shù)資料中給出的 RDSON 值，估算開關(guān)設(shè)備在“on”狀態(tài)下的電阻。但是，實(shí)際電阻( 進(jìn)而是開關(guān)傳導(dǎo)損耗 ) 并不是恒定不變的，可能會(huì)隨著開關(guān)電壓或電流變化而明顯變化。
di/dt 和 dv/dt
di/dt 指標(biāo)表示電流在開關(guān)過程中的變化速率，dv/dt指標(biāo)則表示電壓在開關(guān)過程中的變化速率。
進(jìn)行有源元件測量
對習(xí)慣了使用示波器進(jìn)行高帶寬測量的工程師來說，電源測量由于頻率相對較低，似乎會(huì)比較簡單。但實(shí)際上，電源測量帶來了高速電路設(shè)計(jì)人員從未面對的一系列挑戰(zhàn)。
流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的電壓可能會(huì)非常大，通常是“浮動(dòng)的”，即不參考地電平，信號(hào)的脈寬、周期、頻率和占空比會(huì)不一致。必須真實(shí)地捕獲和分析波形的不理想特點(diǎn)。
選擇適當(dāng)?shù)臏y量解決方案
在測量開關(guān)電源時(shí)，必需選擇能夠勝任工作的工具。為在測試過程中啟動(dòng)和關(guān)閉 SMPS，可能要求來自信號(hào)源的脈沖激勵(lì)信號(hào)。為準(zhǔn)確地仿真正常工作條件下的門驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)必須有可以調(diào)節(jié)的占空比、邊沿跳變時(shí)間和頻率。為驅(qū)動(dòng) IGBT 設(shè)備，激勵(lì)源還必須能夠生成要求的電壓，一般在 12.V.-.15.V。
當(dāng)然，示波器必須有基本帶寬和采樣率，處理 SMPS內(nèi)部的開關(guān)頻率。此外，示波器必須有深存儲(chǔ)器，提供在以高定時(shí)分辨率進(jìn)行低頻長采集時(shí)所需的記錄長度。電源測量還要求至少兩條通道，一條用于電壓測量，一條用于電流測量。
把設(shè)備連接到示波器的探頭也同樣重要。測試中要求同時(shí)使用多種探頭，如單端探頭、差分探頭和電流探頭。應(yīng)用軟件可以提高電源測量的簡便性和可靠性，進(jìn)一步完善了這一系列工具。
示波器的性能指標(biāo)
選擇示波器時(shí)考慮的主要性能指標(biāo)有上升時(shí)間、采樣率、記錄長度及提供的電源測量分析軟件。
上升時(shí)間
盡管開關(guān)信號(hào)速度相對較低，但信號(hào)的上升時(shí)間可能會(huì)相當(dāng)快。為準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，示波器的上升時(shí)間至少要快五倍，才能捕獲快速跳變的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。
例如，如果開關(guān)信號(hào)的上升時(shí)間為 5.ns，那么示波器的上升時(shí)間至少應(yīng)該是 1.ns，才能準(zhǔn)確地進(jìn)行測量。為提供這么快的上升時(shí)間，示波器的帶寬一般至少要達(dá)到 350.MHz。
采樣率
采樣率用每秒樣點(diǎn)數(shù) (S/s) 表示，指數(shù)字示波器采集信號(hào)樣點(diǎn)的頻率。采樣率越快，波形分辨率越高，波形越詳細(xì)，關(guān)鍵信息或事件丟失的可能性越低。為檢定SMPS 開關(guān)過程中一般出現(xiàn)的振鈴，示波器的采樣率必須足夠快，以便捕獲開關(guān)信號(hào)邊沿上的多個(gè)樣點(diǎn)。
記錄長度
示波器捕獲測量期間事件的能力取決于使用的采樣率及存儲(chǔ)采集的信號(hào)樣點(diǎn)的存儲(chǔ)器的深度 ( 記錄長度 )。存儲(chǔ)器的填充速度與采樣率直接成正比。在采樣率設(shè)置得足夠高，能夠以高分辨率詳細(xì)地信號(hào)時(shí)，存儲(chǔ)器會(huì)迅速填充。
對許多 SMPS 電源測量，必需捕獲 1/4 周期或 1/2 周期 (90 度或 180 度 ) 的工頻信號(hào)；有些測量甚至要求捕獲整個(gè)周期。60.Hz工頻的1/2周期的時(shí)間是8.ms多。在采樣率為 1.GS/s 時(shí)，需要 8M 點(diǎn)的記錄長度，才能捕獲這么長的時(shí)間。
電源測量和分析軟件
應(yīng)用軟件可以大大提高示波器上電源測量和分析的簡便程度，其自動(dòng)執(zhí)行常用測量，提供詳細(xì)的測試報(bào)告，簡化了某些復(fù)雜的測量情況，如測量高低壓信號(hào)，進(jìn)行開關(guān)損耗和功率損耗測量。
圖5
MOSFET 開關(guān)設(shè)備，顯示了測量點(diǎn)。
在一個(gè)采集中測量 100 V 和 100 mV
為測量開關(guān)設(shè)備的開關(guān)損耗和平均功率損耗，示波器必須先分別確定 OFF 期間和 ON 期間流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的電壓。
在 AC/DC 轉(zhuǎn)換器中，流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的電壓擁有非常高的動(dòng)態(tài)范圍。在 ON 狀態(tài)期間流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的電壓取決于開關(guān)設(shè)備的類型。在圖 5 所示的 MOSFET中，ON 電壓是信道電阻和電流之積。在雙極結(jié)晶體管 (BJT) 和 IGBT 設(shè)備中，電壓主要基于飽和電壓下跌量 (VCEsat)。OFF 狀態(tài)電壓取決于開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的工作輸入電壓和拓?fù)洹橛?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)的典型DC 電源通常會(huì)在80Vrms-264Vrms 的通用市政電壓上工作。在最大輸入電壓下，流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的OFF狀態(tài)電壓(在TP1和TP2之間)可以高達(dá)750V。在 ON 狀態(tài)下，流經(jīng)相同端子的電壓可以在幾 mV到大約 1V 之間。圖 6 說明了開關(guān)設(shè)備上的典型信號(hào)特點(diǎn)。
必須先測量這些 OFF 電壓和 ON 電壓，才能準(zhǔn)確地測量開關(guān)設(shè)備上的功率。但是，普通 8 位示波器則很難準(zhǔn)確采集 ( 在同一采集周期內(nèi) )ON 期間發(fā)生的mV 級(jí)信號(hào)及 OFF 期間發(fā)生的高壓信號(hào)。
圖6
開關(guān)設(shè)備的典型信號(hào)。
圖7
DPOPWR 輸入頁面允許用戶輸入 RDSON 和 VCEsat 的產(chǎn)品技術(shù)資料值。
為捕獲這個(gè)信號(hào)，示波器的垂直范圍設(shè)置為每格100.V。在這個(gè)設(shè)置下，示波器將接受高達(dá) 1000.V的電壓，因此可以采集 700.V 信號(hào)，而不會(huì)使示波器超載。使用這種設(shè)置的問題是，其可以解析的最小信號(hào)幅度是 1000/256 或大約 4V。
借助現(xiàn)代示波器所帶的電源測量應(yīng)用軟件，用戶可以把設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)資料中的 RDSON 或 VCEsat 值輸入測量菜單，如圖 7 所示。或者在測得的電壓位于示波器靈敏度范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)用軟件可以使用采集的數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)值，而不用手動(dòng)輸入數(shù)值。
圖 8
傳播延遲對電源測量的影響。
消除電壓探頭與電流探頭之間的偏移
數(shù)字示波器進(jìn)行電源測量時(shí)，必需測量流經(jīng) MOSFET開關(guān)設(shè)備漏極到源極的電壓和電流或流經(jīng) IGBT 的集電極到發(fā)射器電壓。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只高壓差分探頭和一只電流探頭。后一種探頭通常是非插入式霍爾效應(yīng)型探頭。每種探頭都有自己的特性傳播延遲。這兩種延遲之差稱為偏移，會(huì)導(dǎo)致定時(shí)測量不準(zhǔn)確及功率波形失真。
必需了解探頭的傳播延遲對最大峰值功率和區(qū)域測量的影響。畢竟，功率是電壓和電流之積。如果相乘的兩個(gè)變量并沒有在時(shí)間完美對準(zhǔn)，那么結(jié)果會(huì)不正確。在探頭沒有正確校正偏移時(shí)，會(huì)損害測量精度，如開關(guān)損耗。圖 8 所示的測試設(shè)置比較了探頭尖端上的信號(hào) ( 下面的軌跡顯示畫面 ) 與傳播延遲后示波器前面板上的信
號(hào) ( 上面的顯示畫面 )。
電壓信號(hào)與電流信號(hào)之間 9.4.ns 的偏移
圖9
在這一偏移下，功率波形的峰值幅度是 4.958.W
圖10
在偏移校正過程后電壓信號(hào)與電流信號(hào)對準(zhǔn)。
圖11
在偏移校正后峰值幅度上升到5.239.W.(高出5.6%)
圖12
圖 9 到圖 12 是演示了探頭偏移影響的實(shí)際示波器屏幕圖。圖 9 揭示了電壓探頭和電流探頭之間的偏移，圖 10 顯示了在沒有校正兩只探頭偏移前獲得的測量結(jié)果 (4.958.W)。
圖11顯示了校正探頭偏移的影響。兩條參考軌跡重疊，表明延遲已經(jīng)均衡。圖 12 中的測量結(jié)果說明了正確校正偏移的重要性。這一實(shí)例證明，偏移引入了 5.6% 的測量誤差。準(zhǔn)確校正偏移減少了峰峰值功率損耗測量的誤差。
某些電源測量軟件將自動(dòng)校正選定探頭組合的偏移。軟件控制著示波器，使用實(shí)時(shí)電流信號(hào)和電壓信號(hào)調(diào)節(jié)電壓通道和電流通道之間的延遲，消除電壓探頭和電流探頭之間的傳播延遲差異。另外還有一種靜態(tài)偏移校正功能，其基于某些電壓探頭和電流探頭擁有恒定的可重復(fù)的傳播延遲。靜態(tài)偏移校正功能根據(jù)選定探頭的嵌入傳播時(shí)間表，自動(dòng)調(diào)節(jié)選定電壓通道和電流通道之間的延遲。這種技術(shù)提供了快捷簡便的方式，可以使偏移校正達(dá)到最小。
消除探頭偏置和噪聲
差分探頭和電流探頭可能會(huì)有較小的偏置。這會(huì)影響精度，在繼續(xù)測量前必須消除這個(gè)偏置。某些探頭內(nèi)置自動(dòng)去掉偏置的方法，其它探頭則要求手動(dòng)去掉偏置。
自動(dòng)消除偏置
配有泰克TekVPI?探頭接口的探頭與示波器相結(jié)合，可以去掉信號(hào)路徑中的任何 DC 偏置誤差。按 TekVPI探頭上的 Menu 按鈕，會(huì)在示波器上調(diào)出一個(gè) Probe.Controls 框，顯示 AutoZero 功能。選擇 AutoZero 選項(xiàng)將自動(dòng)清零測量系統(tǒng)中存在的任何 DC 偏置誤差。TekVPI 電流探頭在探頭機(jī)身上還有一個(gè) Degauss/AutoZero 按鈕。壓下 AutoZero 按鈕將去掉測量系統(tǒng)中存在的任何 DC 偏置誤差。
圖13
TDSPWR3 軟件菜單上的信號(hào)調(diào)節(jié)選項(xiàng)。這個(gè)選項(xiàng)把開關(guān)設(shè)備“Off”期間的電流設(shè)為零。
手動(dòng)去掉偏置
大多數(shù)差分探頭內(nèi)置 DC 偏置整理控制功能，可以相對簡單地去掉偏置。類似的，在進(jìn)行測量前，必需先調(diào)節(jié)電流探頭。注意，差分探頭和電流探頭是有源設(shè)備，總會(huì)存在一定的低電平噪聲，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下。這種噪聲會(huì)影響依賴電壓波形和電流波形數(shù)據(jù)的測量項(xiàng)目。某些電源測量軟件包括信號(hào)調(diào)節(jié)功能 ( 圖 13)，可以使固有探頭噪聲的影響達(dá)到最小。
