泰克示波器在电源测量中的应用———使用示波器进行电源测量

yle="mso-bidi-font-weight: normal">引言
  在过去一个世纪中，对电能的需求正以指数级提高。这使人们更加看重日常电子设备及高级电子和通信系统中使用的电源的性能和效率。电源分成许多不同的类型和规格，包括传统线性电源到高效的开关电源。所有这些电源都面临着复杂的动态工作环境。设备负载和需求在不同时间之间可能会大幅度变化。即使是“日常的”开关电源也必须能够承受突然出现的远远超过平均工作电流的峰值电流。此外，必须检定电源的功率电平、输出纯度和到电源线的谐波反馈，以满足国家和地区电源质量标准。从历史上看，这些测量类型意味着使用数字万用表进行静态电流和电压测量，然后在计算器或PC上进行麻烦的计算。今天，大多数工程师正转向示波器，作为首选的电源测量平台。本应用指南将重点介绍怎样使用示波器进行基本电源测量。
   
  准备电源测量
  对习惯使用示波器进行高带宽测量的工程师来说，电源测量频率相对较低，似乎非常简单。事实上，电源测量也有很多高速电路设计人员从未见过的一系列挑战。经过开关设备的电压可能会非常大，而且是“浮动的”，即没有参考接地。信号的脉宽、周期、频率和占空比会变化，必须如实地捕获波形，分析其不理想特点。对示波器的要求非常苛刻。当然，示波器必须有基本带宽和采样率，处理SMPS
  量。提高电源测量简便程度和可靠性的工具也同样非常重要。下面是部分考虑因素：
  是否提供安全精确的电压和电流探测解决方案？
  是否有一种快速方式，调节探头的不同延迟？
  是否有使探头偏置达到最小的有效流程？
  仪器能否配备充足的记录长度，以高分辨率捕获很长的工频波形？
  这些特点为有效执行电源设计测量奠定了基础。
   
  
  
  
  
   
  图1. 简化的开关式电源视图
   
  安全准确地探测电压波形和电流波形
  在使用数字示波器进行电源测量时，必需测量设备中的电压及电流。这一任务要求使用两只不同的探头：一只电压探头 (通常是高压差分探头)，一只电流探头。图1显示了开关式电源 (SMPS)中的典型测量方案。在范围在几kHz 到几MHz 的时钟驱动下，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)控制着电流。
  测量经过MOSFET 的电流相对简单，可以使用许多不同的霍尔效应电流探头完成，如TCP0030。而测量电压则会面临更多的问题。MOSFET 没有连接到交流电源接地或电路输出接地上。因此，不可能使用示波器进行接地参考电压测量，因为把探头的地线连接到任何MOSFET端子上都会使通过示波器接地的电路短路。
  进行差分测量是测量MOSFET 电压的最佳方式。在差分测量中，可以测量漏极到源极电压(VDS) ，即MOSFET 漏极和源极端子中的电压。VDS 可以位于几十伏到几百伏电压的顶部，具体视电源的范围而定。
  可以通过多种方法测量VDS：   
浮动示波器的机箱接地。绝对不要采用这种方式，因为这种非常不安全，会给用户、被测设备和示波器带来危险。     
使用传统无源单端探头，把地线相互连接起来，使用示波器的通道匹配功能。这种测量方式称为准差分测量。但是，无源探头与示波器的放大器结合使用时，不能提供充分阻塞任何共模电压的共模抑制比(CMRR)。尽管用户可能很想使用这种方法，因为可以使用已有的探头，但它并不能准确地测量电压。     
使用商用探头隔离器，隔离示波器的机箱接地。探头的地线不再位于接地电位，可以把探头直接连接到测试点上。探头隔离器是一种有效的解决方案，但它成本高，通常是差分探头的2-5倍。     
使用真正差分探头。高压差分探头(如泰克P5205)可以准确安全地测量VDS。
   
  消除电压探头和电流探头之间的时滞
  每只电压探头和电流探头都有自己的特性传播延迟。电流探头和电压探头之间的延迟差称为时滞，会导致幅度和定时测量不准确。必需了解探头的传播延迟对最大峰值功率和面积测量的影响，因为功率是电压和电流的乘积。如果两个相乘的变量没有完美对准，那么会得到不正确的结果。在探头
  没有正确“校正时滞”时，测量精度会下降，如开关损耗。
  某些厂家提供了非常简便的时滞校正功能。比如TekVPI探头，可以在工厂中测量传播延迟，然后把传播延迟存储在探头的内存中。在TekVPI 探头连接到泰克4000系列示波器时，它们会自动设置相应的时滞校正值，在电源测量中实现最大精度。
   
  消除探头偏置
  差分探头一般会有较小的电压偏置。这会影响精度，在继续测量前必须消除这个电压偏置。大多数差分电压探头拥有内置的DC偏置调节控制功能，可以相对简单地消除偏置。在预热后：   
把示波器设置成测量电压波形的平均值。     
选择实际测量中将使用的灵敏度(垂直)设置。     
在不存在信号的情况下，把平均电平调节到0 V (或尽可能接近0 V)。
  类似的，必需在执行测量前调节电流探头。在消磁后：   
把示波器设置成实际测量中将使用的垂直灵敏度。     
在不存在信号的情况下，关闭电流探头。     
把DC 平衡调节到零。     
把平均值调节到0 A 或尽可能接近0 A。
  某些探头内置了自动消磁/ 自动清零程序，用户只需在探头comp 盒上按一个按钮就可以了。
   
   
   
  记录长度在电源测量中的作用
  示波器捕获测量期间事件的能力取决于使用的采样率及存储采集的信号样点的存储器的深度(记录长度)。存储器的填充速度与采样率直接成正比。在采样率设置得足够高，能够以高分辨率详细地信号时，存储器会迅速填充。对许多电源测量，必需捕获1/4 周期或1/2 周期(90度或180度)的工频信号；有些测量甚至要求捕获整个周期，这需要示波器具有足够的记录长度以满足要求。
  然而，比长记录长度更重要的是提供能够利用所有这些数据的工具（如泰克的Wave Inspector）。否则处理几百万点的记录长度，也就是几千屏的信号活动无疑是大海捞针。
  
  执行基本SMPS 测量
  开关式电源基础知识
  大多数现代系统中流行的DC 电源结构是开关式电源(SMPS)，这些电源因能够高效处理变化的负载而闻名。SMPS技术依托电源半导体开关设备，如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和绝缘门双极晶体管(IGBT)。这些设备提供了快速开关时间，能够耐受没有规律的电压峰值。同样重要的是，其在On 状态或Off 状态下消耗的功率非常小，实现了很高的效率，而生成的热量很低。开关设备在极大程度上决定着SMPS 的整体性能。开关设备的关键测量项目包括开关损耗、平均功率损耗、安全工作区等等。
  
  基本参数测量
  尽管开关设备的功耗非常重要，但电源设计人员还关注电源操作的许多其它方面，如基本幅度和定时测量，这在历史上一直通过计算格数、然后乘以标度系数完成。现代示波器提供了许多自动测量功能，可以使用这些功能测量上述基本电源操作参数。例如:
  幅度测量：幅度, 高, 低, 最大值, 最小值, RMS, 峰到峰值, 正/ 负过冲, 平均值, 周期平均值, 周期RMS
  定时测量：周期, 频率, 上升/ 下降时间, 正/ 负占空比, 正/ 负脉宽, 突发宽度, 延迟, 相位
  综合测量：面积和周期面积
   
  幅度测量适用于测量输入和输出电压，如VRMS、平均值、峰到峰值和周期RMS。定时测量可以帮助检定驱动信号行为，如脉宽和频率。综合测量计算电源波形下的面积，确定能量损耗。通过打开测量统计，可以确定长期变化，查看测量期间的最小值、最大值、平均值和标准偏差。
  
  测量瞬时功率
  检定开关晶体管中的瞬时功耗是几乎每个电源设计项目的一部分。选择能够在最坏情况操作极限下经济可靠地运行的元件至关重要(如图1 中的电源MOSFET)。某些厂家的电流和电压探测解决方案为这些测量提供了理想选择。除提供安全测量解决方案外，它们还提供了非常简便的时滞校正功能。自动设置相应的时滞校正值，在电源测量中实现最大精度。为电压波形和电流波形及以瓦特为单位的演算波形提供正确的标度和单位。下面用泰克4000系列示波器介绍测量的简单步骤:   
连接探头     
按Autoset，示波器自动调节垂直设置、水平设置和     
触发设置，以查看波形     
把演算波形定义为Ch1 * Ch2     
打开Area 测量，测量曲线下的面积(能量)     
光标读数表明瞬时功率。通过使用测量选通，我们可以把Area 测量限制在特定区域，查看与MOSFET 的启动时间(Ton)和关闭(Toff)时间有关的功率损耗，如图2和图3 所示。
      
  图3. 测得的Toff 平均能量损耗为1.618µJ
   
   
  安全工作区
   晶体管的安全工作区(SOA)定义了设备在不会自行损坏的情况下工作的条件，特别是电压一定时有多少电流可以通过晶体管。如果超过这些限制，晶体管可能会失效。SOA 还包括其它设备限制，如最大电压、最大电流、功率、平均联接温度、二级故障等等。
  开关设备制造商的产品技术资料会概括对开关设备的某些限制。其目标是保证开关设备将容忍电源在最终用户环境中必须处理的工作边界。SOA 测试变量可能包括各种负荷方案、工作温度变化、高和低线路输入电压等等。可以使用示波器，在XY 画面中绘制电压对电流曲线，查看SOA，如图4 所示。
   
   
  
    图4. SMPS 中Toff 跳变的SOA 曲线。可以把这些曲线与开关设备制造商公布的数据进行比较
   
  总结
  电源测量不再是功率计和谐波分析仪等专用工具的专属领地。新一代数字示波器与各种电压探头和电流探头相结合，为现代开关式电源提供了安全的测量和调试解决方案。
   
  图2. 测得的Ton 功率损耗为155µJ