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)載會變化，線路電源可能會失真，環(huán)境變化會改變性能。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?？紤]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作出什么樣的反應(yīng)？
■在電源輸入電壓變化時(shí)會發(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
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達(dá)到最大，因?yàn)殡娐芳纳盘枙柚乖O(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)動器對MOSFET 的柵極到漏極電容 Cgd 的充電速度?？梢允褂孟旅娴墓焦浪戕D(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，一般會隨著漏極到源極電壓變化。這在一定程度上會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 的啟動損耗。在使用箝位電感負(fù)載啟動MOSFET 時(shí)，直到存儲的電荷恢復(fù)時(shí)才能積聚二極管電壓。因此，二極管會在負(fù)方向上持續(xù)傳導(dǎo)電流，直到阻塞電壓，這會導(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?？倱p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)備的電壓可能會非常大，通常是“浮動的”，即不參考地電平，信號的脈寬、周期、頻率和占空比會不一致。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和關(guān)閉 SMPS，可能要求來自信號源的脈沖激勵(lì)信號。為準(zhǔn)確地仿真正常工作條件下的門驅(qū)動信號，激勵(lì)信號必須有可以調(diào)節(jié)的占空比、邊沿跳變時(shí)間和頻率。為驅(qū)動 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)信號速度相對較低，但信號的上升時(shí)間可能會相當(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采集的信號樣點(diǎn)的存儲器的深度 ( 記錄長度 )。存儲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)地信號時(shí)，存儲器會迅速填充。
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；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，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)?。為?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)的典型DC 電源通常會在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 級信號及 OFF 期間發(fā)生的高壓信號。
圖6
開關(guān)設(shè)備的典型信號。
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，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，而不會使示波器超載。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?；蛘咴跍y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)果會不正確。在探頭沒有正確校正偏移時(shí)，會損害測量精度，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 ( 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 ( 上面的顯示畫面 )。
電壓信號與電流信號之間 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與電流信號對準(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)電流信號和電壓信號調(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有較小的偏置。這會影響精度，在繼續(xù)測量前必須消除這個(gè)偏置。某些探頭內(nèi)置自動去掉偏置的方法，其它探頭則要求手動去掉偏置。
自動消除偏置
配有泰克TekVPI?探頭接口的探頭與示波器相結(jié)合，可以去掉信號路徑中的任何 DC 偏置誤差。按 TekVPI探頭上的 Menu 按鈕，會在示波器上調(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。
