Tektronix電源測量和分析入門手冊 （一 ）
在理想狀態下，每個電源的的行為方式都應與設計使用的數學模型類似。但在實際環境中，元件是不理想的，負載會變化，線路電源可能會失真，環境變化會改變性能。此外，性能和成本需求變化也進一步提高了電源設計的復雜性。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？保持多長時間？
■電源散發多少熱量？在過熱時會出現什么情況？要求多少冷卻氣流？
■在負載電流大幅度提高時會發生什么情況？設備能夠保持額定輸出電壓 ( 負載穩壓 ) ？電源對輸出完全短路會作出什么樣的反應？
■在電源輸入電壓變化時會發生什么情況 ( 線路穩壓 ) ？
設計人員需要開發出占用空間更少、能耗效率更高、減少散熱量、降低制造成本、滿足更嚴格的 EMI/EMC標準的電源。只有嚴格的測量體系，才能引導工程師實現上述目標。
開關式電源基礎知識
在大多數現代系統中，流行的 DC 電源結構是開關式電源(SMPS)，這種電源因能夠高效處理負載變化而聞名。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，重點采用(在理想條件下)沒有損耗的元件，如開關式晶體管、電容器和磁性元件。
SMPS 設備還包括一個控制段，其中包含脈寬調制穩定器、脈沖速率調制穩定器和反饋環路等單元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換段。
SMPS 技術依托電源半導體開關設備，如金屬氧化物場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣門雙極晶體管(IGBT)。這些設備提供了快速開關時間，能夠耐受沒有規律的電壓峰值。同樣重要的是，其在 On 狀態或Off 狀態下消耗的功率非常小，實現了很高的效率，而生成的熱量很低。開關設備在極大程度上決定著
SMPS 的整體性能。開關設備的關鍵測量項目包括開關損耗、平均功率損耗、安全工作區等等。
有源元件測量：開關單元
開關式設備中的功率損耗原理
晶體管開關電路在轉換過程中消耗的能量通常會達到最大，因為電路寄生信號會阻止設備立即開關。“關閉損耗”是指開關設備從ON 轉換成 OFF 時損耗的能量，“啟動損耗”則是指開關設備從 OFF 轉換成 ON時損耗的能量。
關閉損耗
圖 2 說明了怎樣計算關閉損耗。在 t1 后，開關電流下降，二極管電流上升，時間 (t2-t1) 取決于驅動器對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換過程中損耗的能量：
其中：
■ E off 是轉換過程中開關損耗的平均能量。
■ V 8 .是柵極電壓。
■ L 是流經電感器的電流。
■ 2 是轉換結束時間。
■ 0 .是轉換開始時間。
這個公式假設流經 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。
在實際環境器件中，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算。在 IGBT 中，由于尾電流現象，電流的下降時間會比較高。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 是帶有箝位電感負載和二極管恢復電荷的MOSFET 的啟動損耗。在使用箝位電感負載啟動MOSFET 時，直到存儲的電荷恢復時才能積聚二極管電壓。因此，二極管會在負方向上持續傳導電流，直到阻塞電壓，這會導致開關發生巨大的損耗。反向恢復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閉轉換過程中電流下降的 di/dt。
可以使用下面的公式估算轉換過程中損耗的能量：
其中：
■ Eon .是轉換過程中開關損耗的平均能量。
■ Va(t) .是瞬時柵極電壓。
■ ia(t) 是流經開關的瞬時電流。
■ t1 是轉換結束時間。
■ t0是轉換開始時間。
功率損耗
■ 總損耗是開關中的平均功率損耗，包括開關損耗和
傳導損耗。總損耗的計算公式如下：
其中：
■ P LOSS 是開關中的平均功率損耗。
■ V switch 是流經開關的瞬時電壓。
■ I switch 是流經開關的瞬時電流。
■ T s 是開關周期。
安全工作區
開關設備安全工作區 (SOA) 指標繪制了電壓對電流圖，以檢定設備的工作區域，其通常用來創建電源預計將遇到的各種工作條件的 SOA 曲線。
圖4
這個實例摘自泰克 DPOPWR，說明了 SMPS 的 SOA曲線。可以把這個曲線與開關設備制造商公布的數據進行對比。
開關設備制造商的產品技術資料會概括對開關設備的某些限制。其目標是保證開關設備將容忍電源在最終用戶環境中必須處理的工作邊界。SOA 測試變量可能包括各種負荷方案、工作溫度變化、高和低線路輸入電壓等等。圖 4 是 SOA 曲線實例。
SOA 測試通常使用下面的公式計算功率：
動態開點電阻
可以使用元件產品技術資料中給出的 RDSON 值，估算開關設備在“on”狀態下的電阻。但是，實際電阻( 進而是開關傳導損耗 ) 并不是恒定不變的，可能會隨著開關電壓或電流變化而明顯變化。
di/dt 和 dv/dt
di/dt 指標表示電流在開關過程中的變化速率，dv/dt指標則表示電壓在開關過程中的變化速率。
進行有源元件測量
對習慣了使用示波器進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。但實際上，電源測量帶來了高速電路設計人員從未面對的一系列挑戰。
流經開關設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。必須真實地捕獲和分析波形的不理想特點。
選擇適當的測量解決方案
在測量開關電源時，必需選擇能夠勝任工作的工具。為在測試過程中啟動和關閉 SMPS，可能要求來自信號源的脈沖激勵信號。為準確地仿真正常工作條件下的門驅動信號，激勵信號必須有可以調節的占空比、邊沿跳變時間和頻率。為驅動 IGBT 設備，激勵源還必須能夠生成要求的電壓，一般在 12.V.-.15.V。
當然，示波器必須有基本帶寬和采樣率，處理 SMPS內部的開關頻率。此外，示波器必須有深存儲器，提供在以高定時分辨率進行低頻長采集時所需的記錄長度。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。
把設備連接到示波器的探頭也同樣重要。測試中要求同時使用多種探頭，如單端探頭、差分探頭和電流探頭。應用軟件可以提高電源測量的簡便性和可靠性，進一步完善了這一系列工具。
示波器的性能指標
選擇示波器時考慮的主要性能指標有上升時間、采樣率、記錄長度及提供的電源測量分析軟件。
上升時間
盡管開關信號速度相對較低，但信號的上升時間可能會相當快。為準確地進行測量，示波器的上升時間至少要快五倍，才能捕獲快速跳變的關鍵細節。
例如，如果開關信號的上升時間為 5.ns，那么示波器的上升時間至少應該是 1.ns，才能準確地進行測量。為提供這么快的上升時間，示波器的帶寬一般至少要達到 350.MHz。
采樣率
采樣率用每秒樣點數 (S/s) 表示，指數字示波器采集信號樣點的頻率。采樣率越快，波形分辨率越高，波形越詳細，關鍵信息或事件丟失的可能性越低。為檢定SMPS 開關過程中一般出現的振鈴，示波器的采樣率必須足夠快，以便捕獲開關信號邊沿上的多個樣點。
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。在采樣率設置得足夠高，能夠以高分辨率詳細地信號時，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周期。60.Hz工頻的1/2周期的時間是8.ms多。在采樣率為 1.GS/s 時，需要 8M 點的記錄長度，才能捕獲這么長的時間。
電源測量和分析軟件
應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，其自動執行常用測量，提供詳細的測試報告，簡化了某些復雜的測量情況，如測量高低壓信號，進行開關損耗和功率損耗測量。
圖5
MOSFET 開關設備，顯示了測量點。
在一個采集中測量 100 V 和 100 mV
為測量開關設備的開關損耗和平均功率損耗，示波器必須先分別確定 OFF 期間和 ON 期間流經開關設備的電壓。
在 AC/DC 轉換器中，流經開關設備的電壓擁有非常高的動態范圍。在 ON 狀態期間流經開關設備的電壓取決于開關設備的類型。在圖 5 所示的 MOSFET中，ON 電壓是信道電阻和電流之積。在雙極結晶體管 (BJT) 和 IGBT 設備中，電壓主要基于飽和電壓下跌量 (VCEsat)。OFF 狀態電壓取決于開關式轉換器的工作輸入電壓和拓撲。為計算設備設計的典型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，流經開關設備的OFF狀態電壓(在TP1和TP2之間)可以高達750V。在 ON 狀態下，流經相同端子的電壓可以在幾 mV到大約 1V 之間。圖 6 說明了開關設備上的典型信號特點。
必須先測量這些 OFF 電壓和 ON 電壓，才能準確地測量開關設備上的功率。但是，普通 8 位示波器則很難準確采集 ( 在同一采集周期內 )ON 期間發生的mV 級信號及 OFF 期間發生的高壓信號。
圖6
開關設備的典型信號。
圖7
DPOPWR 輸入頁面允許用戶輸入 RDSON 和 VCEsat 的產品技術資料值。
為捕獲這個信號，示波器的垂直范圍設置為每格100.V。在這個設置下，示波器將接受高達 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。
借助現代示波器所帶的電源測量應用軟件，用戶可以把設備產品技術資料中的 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時，應用軟件可以使用采集的數據計算數值，而不用手動輸入數值。
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
數字示波器進行電源測量時，必需測量流經 MOSFET開關設備漏極到源極的電壓和電流或流經 IGBT 的集電極到發射器電壓。這一任務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，會導致定時測量不準確及功率波形失真。
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。如果相乘的兩個變量并沒有在時間完美對準，那么結果會不正確。在探頭沒有正確校正偏移時，會損害測量精度，如開關損耗。圖 8 所示的測試設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。
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，表明延遲已經均衡。圖 12 中的測量結果說明了正確校正偏移的重要性。這一實例證明，偏移引入了 5.6% 的測量誤差。準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，使用實時電流信號和電壓信號調節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的傳播延遲。靜態偏移校正功能根據選定探頭的嵌入傳播時間表，自動調節選定電壓通道和電流通道之間的延遲。這種技術提供了快捷簡便的方式，可以使偏移校正達到最小。
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，在繼續測量前必須消除這個偏置。某些探頭內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，會在示波器上調出一個 Probe.Controls 框，顯示 AutoZero 功能。選擇 AutoZero 選項將自動清零測量系統中存在的任何 DC 偏置誤差。TekVPI 電流探頭在探頭機身上還有一個 Degauss/AutoZero 按鈕。壓下 AutoZero 按鈕將去掉測量系統中存在的任何 DC 偏置誤差。
圖13
TDSPWR3 軟件菜單上的信號調節選項。這個選項把開關設備“Off”期間的電流設為零。
手動去掉偏置
大多數差分探頭內置 DC 偏置整理控制功能，可以相對簡單地去掉偏置。類似的，在進行測量前，必需先調節電流探頭。注意，差分探頭和電流探頭是有源設備，總會存在一定的低電平噪聲，即使在靜止狀態下。這種噪聲會影響依賴電壓波形和電流波形數據的測量項目。某些電源測量軟件包括信號調節功能 ( 圖 13)，可以使固有探頭噪聲的影響達到最小。
