用示波器进行电源特性测试

LeCroy公司 Mike Hertz

对于开关电源设计工程师，定位开关电源电路中的异常行为常常是一种挑战，而且非常浪费时间。在观察持续时间较长的信号时，手工监视波形是不实际的。此外，只有记录长度经过缩减的波形才可以进行手工监视，但分析结果却受到人为错误的影响。

与此相似，触发电路也仅仅在触发点处定义触发条件，并且不能定义多个不同类型的触发条件，例如，当顺序进行多步骤测量和数学操作时，就会出现异常的测量结果。

为了解决这些问题，设计工程师可以使用数字示波器来自动搜索电源的故障。数字示波器中基于用户定义的规则进行自动搜索异常波形、报告搜索到的位置和采取合适的操作的能力被称为波形扫描。在去年，波形扫描技术是在宽量程实时示波器中普遍采用的新技术。

波形扫描


在开关电源中采用波形扫描技术来鉴别频率稳定性问题是非常容易的。当示波器检测到周期波形中的一个周期时，该值就被直接反相来计算特定周期波形的瞬时频率。

通过采用全程测量，而不是只考虑采样波形内一个周期的值，整个采样输入波形中每个周期的系列瞬时频率都被作为一个频率序列来计算。在瞬时频率的误差范围内，连续瞬时频率构成的序列可以通过示波器进行扫描，以检测在每个周期基础上的异常频率。波形扫描技术以图形和数字的方式自动报告频率异常，从而可以鉴别所有在要求的频率稳定裕量之外的开关周期。

测量触发门限

在通道1中，处于开关工作模式（参见图1）的功率FET器件的漏极-源极电压的测量会因触发电平的不同而差别很大。在这种情况下，为了允许在某一电平下的频率测量参数仅包括开关频率，并排除所有高频振荡频率，频率测量参数中的门限电平被设置在波形幅值电平的20%。用户可以通过视觉观察波形电平来决定设置合适的门限电压。



图1  通过采用超出设定频率稳定范围的瞬时频率的方法，波形扫描自动鉴别和突出显示6个开关周期，在下面的网格中，异常周期的一个放大区域自动以红色突出显示

对于示波器上在周期范围内的波形，为了只包括主开关周期的上升沿，门限电平应该适当增加或降低。在这种情况下，扫描滤波边界被设置在66.04kHz的标称瞬时周期频率上，以及定义频率误差范围的Δ值为50Hz。

当频率稳定裕量超出时，频率扫描的触发结果就是尽可能地存储波形数据。示波器显示的红色区域包含了整个波形中违反设定扫描裕量范围的每个周期，显示范围内共有6个周期发生了故障，它们都满足预设的条件。

跟踪波形

当监视短周期信号，或者微秒级的周期信号时，从控制IC扫描邻近的脉冲周期将在脉冲流中显示短期波动和异常。当监视像毫秒级的更长周期信号时，扫描整个波形序列可以揭示占空比测量中的宏观影响。

采用数学跟踪函数的方法可以通过测量的参数值来重新构造一个位置函数的新波形。这种新的“跟踪”波形与通过直接采样得到的波形不同，它有一个针对ｙ轴的测量值，并且跟踪波形的ｘ轴与采样到的脉冲流是一样的，也就是共享相同的x轴时间基准。

占空比的跟踪将以时间函数来绘制。当占空比随时间缓慢改变时，“跟踪”波形的形状和时间特性揭示了通常从输入波形本身无法获得的重要信息。所有这些波形信息可用来在电源负载变化、线性度变化、软启动、电压跌落、热切换，以及短路时来反映电源的稳定性。此外，控制回路的行为也可以逐个周期地进行察看。

倒数函数运算

功率MOSFET的另一个重要开关参数是当其电压瞬间关闭时的线性度。开关晶体管输出的变化率可以使用示波器内的导数数学函数直接计算出来。例如，可以使用导数数学函数很容易地检测出电压变化斜率内的微小波动。然而，dV/dt单调性的自动检测需要示波器采用波形扫描技术去检查导数波形的边沿。

选择一个非单调模式，并将其应用到输入波形（图2）的导数波形上，以便产生期望的结果。示波器在dV/dt波形中已经检测到了有些振铃，并且在网格上用红色高亮的标志显示出来。蓝色的虚线代表在每个扫描周期内单调性都被监视的区域。



图2  在Vgs瞬时关闭的时候，波形扫描已经识别出了一个非单调波形。图中显示了栅源电压的变化（黄色轨迹）、一阶导数dV/dt（蓝色轨迹）和非线性边沿（红色部分）

在扫描过程中，波形扫描配置成用于捕捉检测到的每个非单调图像。在这个例子中，搜索规则包含了另外一个分离电平，因为数学函数的测量值被用作波形扫描的扫描规则。此处关于波形扫描的例子讨论了开关周期的频率稳定度、控制回路响应，以及非单调边沿检测等，仅仅是许多可行技术中的少数几种。在供电电路中，这种方法也可以实现解决许多非预期行为的问题。

来源：今日电子