如何使用示波器對電源進行測量與分析！

1.1

消除探頭偏置和磁場

      為了測量被測器件的電壓以及電流，我們會使用到兩根（或者多根）獨立的電壓探頭和電流探頭。差分探頭和電流探頭，開機后可能產(chǎn)生失調(diào)現(xiàn)象，存在影響精度的小電壓偏置，應(yīng)該在測量之前消除這一零偏。機器經(jīng)常使用后，電流探頭傳感器的會有剩余磁場，測量前也先應(yīng)消磁，以提高測量精度。

       鼎陽CP5030電流探頭支持消磁調(diào)零，按一下探頭機身上的Degauss AutoZero按鈕，機器自動消磁并清除測量系統(tǒng)中存在的任何 DC 偏置誤差，消磁調(diào)零過程成功后，會有成功提示音“嘀嘀”兩聲提示，全程大約耗時5秒。

        鼎陽DP5150A 高壓差分探頭需要手動偏置調(diào)零，操作方法如下：

1) 按住并保持 ATTENUATION BANDWIDTH 兩個按鍵，插上電源開機，過載指示燈點亮，進入測試模式，松開按鍵。

2) 該狀態(tài)下進入高衰減倍數(shù)偏置調(diào)整，按下 ATTENUATION 按鍵，偏置遞增；按下BANDWIDTH 按鍵，偏置遞減，調(diào)整至合適位置。

3) 按下 AUDIBLE OVERRANGE 按鍵，切換到低衰減倍數(shù)檔位偏置調(diào)整，通過ATTENUATION 和 BANDWIDTH 調(diào)整低衰減倍數(shù)。

4） 按下AUDIBLE OVERRANGE按鍵，過載指示燈滅，退出測試模式，偏置調(diào)整結(jié)束。

1.2

消除探頭之間的時延

由于每一根探頭都有其特性傳播延遲，探頭之間可能存在時延，從而引起定時差、相位和功率系數(shù)測量的不準確。為了達到更精確的測量效果，在正式測量之前需要對電流和電流探頭進行時延校準，消除探頭之間的傳播誤差。鼎陽科技提供 DF2001A 時滯校準板，可以有效地消除探頭的時延。

操作方法：將消磁調(diào)零后的電流探頭連接到時滯校準板的電流回路、將高壓差分探頭的紅黑探夾分別連接到時滯校準板的信號輸入端和接地端，將校準板上的開關(guān) S1 調(diào)整到SMALL LOOP，并將探頭與示波器相連，這里我們將高壓差分探頭與示波器通道 1 連接，電流探頭與示波器通道 2 連接。連接如圖 3 所示。

圖 3. 探頭與 DF2001A 連接示意圖

進入示波器時滯校準界面，進入路徑為：分析—電源分析—開關(guān)損耗—信號—時滯校準，如圖 4 所示，設(shè)置輸入電壓通道和輸入電流道，點擊時滯校準，等待校準完成。

圖 4.示波器時滯校準界面

2

交流輸入分析

     

      在交流輸入端上進行電源質(zhì)量測量，測量項目包括電源質(zhì)量分析、電流諧波測量和浪涌電流測量。

2.1

電源質(zhì)量分析

       電源質(zhì)量測量是一套標準功率測量，通常在AC線路上輸入執(zhí)行，也可以在器件的AC輸出上，具體測量參數(shù)包括測量電源輸入端的有功功率、視在功率、無功功率、功率因數(shù)、功率相位角、電壓有效值、電流有效值、電壓波峰因數(shù)和電流波峰因數(shù)等電量參數(shù)。

       操作方法：用高壓差分探頭DPB5150A測量系統(tǒng)工頻電壓，將紅黑探頭分別接入輸入電源的火線和零線上；使用CP5030電流探頭測量系統(tǒng)工頻電流,將電流鉗夾住輸入端的火線，連接示意和實際連接分別如圖5、圖6所示：

圖5. 電源質(zhì)量分析連接示意圖

圖6. 電源質(zhì)量分析實物連接圖

       在示波器上調(diào)出功率分析軟件，檢查設(shè)置的輸入電壓源、輸入電流源是否與實際連接一致，在分析項中選擇電源質(zhì)量，給電源上電后，將測試狀態(tài)打開。測試結(jié)果如圖7所示：

圖7. 電源質(zhì)量分析測量結(jié)果

測量結(jié)果(取36次平均值)如下：

2.2

電流諧波測量

       開關(guān)電源一般會生成以奇數(shù)階為主的諧波，倒送回電網(wǎng)。其影響具有累積性特點，隨著連接到電網(wǎng)的開關(guān)電源增加，返回電網(wǎng)的諧波失真的總百分比會上升。由于這種失真會導致熱量在電網(wǎng)的線纜和變壓器中積聚，因此必需使諧波達到最小。業(yè)內(nèi)制訂了IEC61000-3-2等法規(guī)標準來限制諧波電流發(fā)射。鼎陽科技示波器配備的電源分析軟件只需要簡單的設(shè)置，就可以在系統(tǒng)交流輸入端上進行電流諧波測量，并針對行業(yè)標準對電源的諧波進行預(yù)一致性檢查。

       操作方法：保持上述硬件連接不變，在示波器的電源分析項下拉菜單切換為電流諧波，進入輸入配置：調(diào)整測量的周期數(shù)，至少顯示一個完整周期，可以手動調(diào)整也可以指定數(shù)值自動配置，采樣率需要滿足f s ≥ x*40*f Line x>=2。進入配置選項：選擇自動獲取線路頻率，以及標準類型（以IEC61000-3-2A為例），執(zhí)行測試。測試結(jié)果如圖8所示。由測量結(jié)果列表得知，電流諧波均滿足IEC61000-3-2A標準要求。

圖8. 電流諧波測量結(jié)果

2.4

浪涌電流測量

       在穩(wěn)定狀態(tài)下通過光標測量得知該系統(tǒng)輸入電流約1A，如圖9所示。而接通電氣設(shè)備電源時，在接通的瞬間可能會流過遠遠大于穩(wěn)定電流的大電流，該電流即成為浪涌電流。電源分析軟件支持測量初次開啟電源時電源的峰值電流。

        操作方法：保持硬件連接不變，在示波器的電源分析項下拉菜單切換為浪涌電流，在輸入設(shè)置中根據(jù)預(yù)期電流大小調(diào)整觸發(fā)閾值（以5A為例），以便捕獲到浪涌電流出現(xiàn)的位置。

圖9.穩(wěn)定狀態(tài)下電流為1.0A

圖10. 浪涌電流為7.421A

將測試狀態(tài)由off調(diào)整為on，根據(jù)提示進行操作：關(guān)閉輸入電源，選擇下一步，進入Single觸發(fā)模式，邊沿觸發(fā)，觸發(fā)源為電流對應(yīng)的通道；開啟電源，點擊下一步，等待測量觸發(fā)到的波形的測量值，重復(fù)5次操作，取最大值為浪涌電流。如圖10所示，浪涌電流的測量值為

7.421A。

3

開關(guān)切換參數(shù)測量

       

       在電源的開關(guān)設(shè)計部分，為了確認開關(guān)器件工作在正常范圍內(nèi)，通常需要測量開關(guān)能量損耗大小、開關(guān)轉(zhuǎn)換速率，以及調(diào)制分析等內(nèi)容。

3.1

開關(guān)損耗測量

      開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗，在開關(guān)電源中，對MOS管進行開關(guān)操作時，需要對寄生電容進行充放電，從而引起損耗。開關(guān)損耗常用于量化傳輸?shù)诫娫丛O(shè)備散熱器的功率損耗，工程師也使用這個參數(shù)評估電源的轉(zhuǎn)化效率，正確分析這些損耗對檢定電源及測量其效率至關(guān)重要。鼎陽科技的電源質(zhì)量分析軟件可以計算在開關(guān)設(shè)備中的開關(guān)周期內(nèi)耗散的功率。

       操作方法：由于測量開關(guān)損耗關(guān)鍵是捕獲到開關(guān)跳變時的波形，電壓、電流通道的時間

要對應(yīng)，在測量之前要確定兩通道輸入已經(jīng)進行相位校準。示波器經(jīng)過開關(guān)器件的電壓和流

經(jīng)開關(guān)器件的電流，硬件連接方式如圖11所示。

圖11. 開關(guān)損耗測量連接示意圖

       在示波器上設(shè)置電壓參考值與電流參考值。電壓達到電壓參考值是算作損耗起點，電流低于電流參考值算作損耗終點，若起點在終點之后，則視作無損耗，起點和終點可以通過設(shè)置Gate實現(xiàn)。用math中的乘法即可表示開關(guān)損耗的功率。能量損耗為乘法結(jié)果的積分。根據(jù)測試結(jié)果可知被測開關(guān)裝置在一個開關(guān)周期內(nèi)的損耗值。

3.2

轉(zhuǎn)換速率測量

       轉(zhuǎn)換速率可測量開關(guān)期間電壓或電流的變化速率。給輸入施加上升沿和下降矩形波脈沖時，表示輸出電壓在單位時間內(nèi)可發(fā)生什么程度的變化。圖12表示轉(zhuǎn)換速率的定義：

圖12. 轉(zhuǎn)換速率定義

dV/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，測量電源設(shè)備(MOSFET) 的 Vds 的轉(zhuǎn)換速度。

dI/dt= [ y(n) - y(n-1) ] / [ x(n) - x(n-1) ]，測量電源設(shè)備(MOSFET) 的 Id 的轉(zhuǎn)換速度。

      操作方法：示波器經(jīng)過開關(guān)器件的電壓和流經(jīng)器件的電流，硬件連接方式與上述開關(guān)損耗測量一致。

3.3

調(diào)制分析測量

       調(diào)制分析測量到開關(guān)設(shè)備（MOSFET）的控制脈沖信號，并觀察控制脈沖信號響應(yīng)不同事件的脈沖寬度、占空比、周期、頻率等的趨勢。

        操作方法：將高壓差分探頭紅黑表筆分別接到開關(guān)的G端和S端，電流探頭接入開關(guān)的D端，如圖13所示。在示波器上在電源分析選項中的分析項切換為調(diào)制分析，在類型中選擇所關(guān)注的平均值、交流有效值、周期等測量。將測試狀態(tài)調(diào)整為on。

圖13. 調(diào)制分析連接圖

4

輸出參數(shù)測量

     

     為了評估電源輸出的穩(wěn)定性和噪聲，需要對輸出的紋波、開關(guān)/關(guān)閉時間、瞬態(tài)響應(yīng)時間進行測量。

4.1

輸出紋波

      輸出紋波表示輸出直流電壓的波動量。輸出紋波對負載設(shè)備的正常工作產(chǎn)生很重要的影響，如果輸出紋波過大，負載設(shè)備會工作不正常，或者會影響其工作的性能。電源分析軟件中紋波分析能夠測量電源輸出端紋波的當前值、平均值、最小值、最大值、標準差和計數(shù)值。

      操作方法：測量輸出紋波只需要使用一根電壓探頭，將電壓探頭調(diào)整為短接地（使用接地彈簧）并調(diào)整為1倍衰減，把電壓探頭連接到系統(tǒng)DC直流輸出上，在示波器上打開電源分析菜單，在分析項中選擇輸出紋波，確定輸入電壓通道與連接一致，然后設(shè)置持續(xù)時間（調(diào)整時基），測量在持續(xù)時間內(nèi)（8-10個開關(guān)周期）的峰峰值。將測試狀態(tài)調(diào)整為ON，即可測得輸出紋波的平均值為19.343mV。

圖14. 輸出紋波測量平均值19.343mV

4.2

開啟/關(guān)閉時間

       開啟分析可確定開啟的電源達到其穩(wěn)定狀態(tài)輸出 90% 所耗用的時間。關(guān)閉分析可確定關(guān)閉的電源降至其最大輸出電壓 10% 所耗用的時間。

       操作方法：將電源的DC電壓輸出和AC電流輸入接入示波器，硬件連接如下：

圖15. 開啟/關(guān)閉時間測量連接圖

       在示波器上進入電源分析選項，分析項選擇開啟/關(guān)閉；進入輸入設(shè)置，本例輸入電壓為C1,輸出電壓C2，輸入類型AC，輸入最大值為220V，輸出穩(wěn)定電壓16V，;選擇測試為開啟或者關(guān)閉即測試開啟時間或者關(guān)閉時間，將測試狀態(tài)調(diào)整為ON，根據(jù)提示進行一次開關(guān)

電源操作，使用穩(wěn)定觸發(fā)的波形進行相應(yīng)計算。

       開啟時間為AC輸入電壓上升至其最大幅度（起始時間）的10%的時間與DC輸出電壓上升至其最大幅度（結(jié)束時間）的90%的時間差值。關(guān)閉時間為DC輸出電壓下降至其穩(wěn)定狀態(tài)值（結(jié)束時間）的10%的時間與輸入電壓下降至其正峰值（或負峰值，以先發(fā)生的為準）起始時間的 10% 以下的時間差值。測量結(jié)果如下所示，開關(guān)的開啟時間為26.62ms，關(guān)閉時間為89.34ms。

圖16. 開啟時間測量為26.63ms 

圖17. 關(guān)閉時間測量為89.34ms

4.3

瞬變響應(yīng)時間

        瞬變響應(yīng)分析可確定電源的輸出電壓對輸出負載變化的響應(yīng)速度。該時間從輸出電壓首次退出穩(wěn)定帶開始，到最后一次進入穩(wěn)定帶為止。

      操作方法：將電源的DC電壓輸出和DC電流輸出接入示波器，硬件連接如下：

圖18. 瞬變響應(yīng)時間測量連接圖

        配置初始電流和改變負載后的穩(wěn)定電流。點擊應(yīng)用后會提示用戶操作，改變電源負載后，點擊下一步；Single邊沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為大于或小于穩(wěn)定輸出電壓+/-過沖。借助光標完成測量，水平光標間為穩(wěn)定帶（穩(wěn)定電壓上下x%，可設(shè)置），調(diào)整垂直光標至第一次離開穩(wěn)定帶與最后一次回到穩(wěn)定帶處，兩光標間的時間差即為瞬變響應(yīng)時間。

4.4

功率效率

      產(chǎn)品功率效率是決定其成功的重要因素。通過對系統(tǒng)輸出功率與輸入功率的測量，可以得到電源的整體效率。鼎陽科技的電源分析軟件可以簡便地測量此參數(shù)。因為要測量輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流，要求使用的示波器至少具備4通道。

       操作方法：將被測物的AC輸入電壓和電流、DC輸出電壓和電流通過探頭與示波器連接，

硬件連接示意圖如下：

圖19. 功率效率測量連接圖

      在示波器上打開電源分析軟件，分別設(shè)置4個通道的電壓電流，打開效率測量，執(zhí)行測試?？梢缘贸鲚斎腚妷篤_in、輸入電流I _in 、輸出電壓V _out 、輸出電流I _out ，和測量的持續(xù)時間。

效率 。N為整周期對應(yīng)的點數(shù),測量結(jié)果為-69.296%。

圖20. 功率效率測量結(jié)果

5

生成報告

       

      數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用是工程師在使用儀器過程中經(jīng)常使用到的功能。SDS6000PRO-PA配有報告生成工具，并可以使用儀器面板上的Save功能，生成指定的報告格式到U盤。在操作過程中如果有重要的界面需要保存，也可以使用儀器自帶的一鍵保存功能，保存屏幕截圖到U盤。

對開關(guān)的電源進行質(zhì)量分析，無需使用功率分析儀器，將示波器與功率分析軟件結(jié)合使用，就可以快速、準確并且經(jīng)濟地進行電源分析，全過程不需要手動計算，也無需復(fù)雜地儀器操作，極大提升了工程師的工作效率。