從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開關電源" title="開關電源">開關電源,，電源的種類和大小千差萬別。它們都要面對復雜,、動態(tài)的工作環(huán)境,。設備負載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開關電源,，也要能夠承受遠遠超過其平均工作電平的瞬間峰值,。設計電源或系統(tǒng)中要使用電源的工程師需要了解在靜態(tài)條件以及最差條件下電源的工作情況。
過去,，要描述電源的行為特征,，就意味著要使用數(shù)字萬用表測量靜態(tài)電流和電壓，并用計算器或PC 進行艱苦的計算,。今天,，大多數(shù)工程師轉(zhuǎn)而將示波器" title="示波器">示波器作為他們的首選電源測量平臺。現(xiàn)代示波器可以配備集成的電源測量和分析軟件,，簡化了設置,，并使得動態(tài)測量更為容易。用戶可以定制關鍵參數(shù),、自動計算,，并能在數(shù)秒鐘內(nèi)看到結果，而不只是原始數(shù)據(jù),。
電源設計問題及其測量需求
理想情況下,，每部電源都應該像為它設計的數(shù)學模型那樣地工作。但在現(xiàn)實世界中,，元器件是有缺陷的,，負載會變化，供電電源可能失真,，環(huán)境變化會改變性能,。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設計更加復雜,?？紤]這些問題：
電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續(xù)多長時間,？電源散發(fā)多少熱量,？過熱時會怎樣,？它需要多少冷卻氣流？負載電流大幅增加時會怎樣,？設備能保持額定輸出電壓嗎,？電源如何應對輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時會怎樣,？
設計人員需要研制占用空間更少,、降低熱量、縮減制造成本,、滿足更嚴格的EMI/EMC 標準的電源,。只有一套嚴格的測量體系才能讓工程師達到這些目標。
示波器和電源測量
對那些習慣于用示波器進行高帶寬測量的人來說,，電源測量可能很簡單，因為其頻率相對較低,。實際上,，電源測量中也有很多高速電路設計師從來不必面對的挑戰(zhàn)。
整個開關設備的電壓可能很高,，而且是“浮動的”,，也就是說，不接地,。信號的脈沖寬度,、周期、頻率和占空比都會變化,。必須如實捕獲并分析波形,，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對示波器的要求是苛刻的,。多種探頭——同時需要單端探頭,、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲器,，以提供長時間低頻采集結果的記錄空間,。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號。
開關電源基礎
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結構是開關電源(SMPS),，它因為能夠有效地應對變化負載而眾所周知,。典型SMPS 的電能信號路徑包括無源器件、有源器件和磁性元件,。SMPS 盡可能少地使用損耗性元器件 (如電阻和線性晶體管),，而主要使用 (理想情況下) 無損耗的元器件：開關晶體管、電容和磁性元件,。
SMPS 設備還有一個控制部分,，其中包括脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器脈頻調(diào)制調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路1 等組成部分,。控制部分可能有自己的電源,。圖1 是簡化的SMPS 示意圖,，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件,、無源器件以及磁性元件,。
SMPS 技術使用了金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)與絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 等功率半導體開關器件。這些器件開關時間短,，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰,。同樣重要的是，它們不論在開通還是斷開狀態(tài),，消耗的能量都極少,，效率高而發(fā)熱低。開關器件在很大程度上決定了SMPS 的總體性能,。對開關器件的主要測量包括：開關損耗,、平均功率損耗、安全工作區(qū)及其他,。
圖1. 開關電源簡化示意圖,。
圖2. MOSFET 開關器件，顯示了測量點,。
準備進行電源測量
準備進行開關電源的測量時,，一定要選擇合適的工具，并且設置這些工具,，使它們能夠準確,、可重復地工作。當然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率,，以適應SMPS的開關頻率,。電源測量最少需要兩個通道，一個用于電壓,，一個用于電流,。有些設施同樣重要，它們可以使電源測量更容易,、更可靠,。下面是一部分要考慮的事項：
儀器能在同一次采集中處理開關器件的開通和斷開電壓嗎？這些信號的比例可能達到100,000:1,。
有可靠,、準確的電壓探頭和電流探頭嗎？有可以校正它們的不同延遲的有效方法嗎,？
有沒有有效的方法來將探頭的靜態(tài)噪聲降至最低,？
儀器能夠配備足夠的記錄長度,，以很高的采樣速率捕獲較長的完整工頻波形嗎？
這些特征是進行有意義且有效的電源設計測量的基礎,。
測量一次采集中的100 伏和100 毫伏電壓
要測量開關器件的開關損耗和平均功率損耗,，示波器首先必須分別確定在斷開和開通時開關器件上的電壓。
在AC/DC 變流器中,，開關器件上的電壓動態(tài)范圍非常大,。開通狀態(tài)下開關器件上通過的電壓取決于開關器件的類型。在圖2 所示的MOSFET 管中,，開通電壓為導通電阻和電流的乘積,。在雙極結型晶體管 (BJT) 和IGBT 器件中，該電壓主要取決于飽和導通壓 (VCEsat),。斷開狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開關變換器的拓撲,。為計算設備設計的典型直流電源使用80 Vrms 到264 Vrms 之間的通用市電電壓。
在最高輸入電壓下開關器件上的斷開狀態(tài)電壓 (TP1 和TP2之間) 可能高達750 V,。在開通狀態(tài),，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1 伏之間。圖3 顯示了開關器件的典型信號特性,。
圖3. 開關設備的典型信號
為了準確地進行開關器件電源測量，必須先測量斷開和開通電壓,。然而,，典型的8 位數(shù)字示波器的動態(tài)范圍不足以在同一個采集周期中既準確采集開通期間的毫伏級信號，又準確采集斷開期間出現(xiàn)的高電壓,。要捕獲該信號,，示波器的垂直范圍應設為每分度100伏。在此設置下,，示波器可以接受高達1000 V 的電壓,，這樣就可以采集700 V 的信號而不會使示波器過載。使用該設置的問題在于最大靈敏度 (能解析的最小信號幅度) 變成了1000/256,，即約為4 V,。
泰克DPOPWR 軟件解決了這個問題，用戶可以把設備技術數(shù)據(jù)中的RDSON或VCEsat值輸入圖4所示的測量菜單中,。如果被測電壓位于示波器的靈敏度范圍內(nèi),，DPOPWR 也可以使用采集的數(shù)據(jù)進行計算，而不是使用手動輸入的值,。
圖4. DPOPWR 輸入頁面允許用戶輸入RDSON 和VCEsat 的技術數(shù)據(jù)值,。
圖4. 傳輸延遲應對電源測量的影響
消除電壓探頭和電流探頭之間的時間偏差
要使用數(shù)字示波器進行電源測量， 就必須測量MOSFET 開關器件 (如圖2 所示) 漏極,、源極間的電壓和電流,，或IGBT 集電極,、發(fā)射極間的電壓。該任務需要兩個不同的探頭：一支高壓差分探頭和一支電流探頭,。后者通常是非插入式霍爾效應型探頭,。這兩種探頭各有其獨特的傳輸延遲。這兩個延遲的差 (稱為時間偏差),，會造成幅度測量以及與時間有關的測量不準確,。一定要了解探頭傳輸延遲對最大峰值功率和面積測量的影響。畢竟,，功率是電壓和電流的積,。如果兩個相乘的變量沒有很好地校正，結果就會是錯誤的,。探頭沒有正確進行“時間偏差校正”時,，開關損耗之類測量的準確性就會影響。
圖5 所示的測試" title="測試">測試設置比較了探頭端部的信號 (下部跡線顯示) 和傳輸延遲后示波器前端面板處的信號 (上部顯示),。
圖6 - 圖9 是表明了探頭時滯影響的實際示波器屏幕圖,。它使用泰克P5205 1.3 kV 差分探頭和TCP0030AC/DC 電流探頭連接到DUT 上。電壓和電流信號通過校準夾具提供,。圖6說明了電壓探頭和電流探頭之間的時滯,，圖7顯示了在沒有校正兩個探頭時滯時獲得的測量結果(6.059mW)。圖8顯示了校正探頭時滯的影響,。兩條參考曲線重疊在一起,，表明已經(jīng)補償了延遲。圖9 中的測量結果表明了正確校正時滯的重要性,。這一實例表明,，時滯引入了6% 的測量誤差。準確地校正時滯降低了峰到峰功率損耗測量誤差,。
圖5. 傳輸延遲效應對電源測量的影響,。
圖7. 有時間偏差時峰值幅度和面積測量顯示為6.059 瓦。
DPOPWR電源測量軟件可以自動校正所選探頭組合的時間偏差,。該軟件控制示波器,，并通過實時電流和電壓信號調(diào)整電壓通道和電流通道之間的延遲，以去除電壓探頭和電流探頭之間傳輸延遲的差別,。
還可以使用一種靜態(tài)校正時間偏差的功能,，但前提是特定的電壓探頭和電流探頭有恒定、可重復的傳輸延遲,。靜態(tài)校正時間偏差的功能根據(jù)一張內(nèi)置的傳輸時間表,，自動為選定探頭 (如本文檔中討論的Tektronix 探頭) 調(diào)整選定電壓和電流通道之間的延遲。該技術提供了一種快速而方便的方法,，可以將時間偏差降至最小,。
消除探頭零偏和噪聲
差分探頭和電流探頭可能會有很小的偏置,。應在測量前消除這一偏置，因為它會影響測量精度,。某些探頭采用內(nèi)置的自動方法消除偏置,，其它探頭則要求手動消除偏置。
圖8. 校正時間偏差后的電壓和電流信號,。
圖9. 校正時間偏差后的峰值幅度和面積測量,。將此結果與圖7 中的結果進行比較。
自動消除偏置
配有TekVPITM 探頭接口的探頭與示波器相結合,，可以消除信號路徑中發(fā)生的任何DC偏置誤差,。在TekVPITM探頭上按Menu按鈕，示波器上出現(xiàn)Probe Controls框,，顯示AutoZero 功能,。選擇AutoZero 選項，會自動清除測量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差,。TekVPITM電流探頭還在探頭機身上有一個Degauss/AutoZero按鈕,。壓下AutoZero按鈕，會消除測量系統(tǒng)中存在的任何DC偏置誤差,。
手動消除偏置
大多數(shù)差分電壓探頭都有內(nèi)置的直流零偏修整控制,，這使消除零偏成為一件相對簡單的步驟：準備工作完成之后，接下來：
將示波器設置為測量電壓波形的平均值,；
選擇將在實際測量中使用的靈敏度 (垂直) 設置,；
不加信號，將修整器調(diào)為零,，并使平均電平為0 V (或盡量接近0 V)。
相似地,，在測量前必須調(diào)節(jié)電流探頭,。在消除零偏之后：
將示波器靈敏度設置為實際測量中將要使用的值；
關閉沒有信號的電流探頭,；
將直流平衡調(diào)為零,；
把中間值調(diào)節(jié)到0 A 或盡可能接近0 A；
注意,，這些探頭都是有源設備,，即使在靜態(tài)，也總會有一些低電平噪聲,。這種噪聲可能影響那些同時依賴電壓和電流波形數(shù)據(jù)的測量,。DPOPWR 軟件包包含一項信號調(diào)節(jié)功能 (圖10)，可以將固有探頭噪聲的影響降至最低,。
記錄長度在電源測量中的作用
示波器在一段時間內(nèi)捕獲事件的能力取決于所用的采樣速率,，以及存儲采集到的信號樣本的存儲器的深度 (記錄長度),。存儲器填充的速度和采樣速率成正比。如果為了提供詳細的高分辨率信號而將采樣速率設得很高,，存儲器很快就會充滿,。
對很多SMPS 電源測量來說，必須捕獲工頻信號的四分之一周期或半個周期(90 或180 度),，有些甚至需要整個周期,。這是為了積累足夠的信號數(shù)據(jù)，以在計算中抵消工頻電壓波動的影響,。
識別真正的Ton 與Toff 轉(zhuǎn)換
為了精確地確定開關轉(zhuǎn)換中的損耗,，首先必須濾除開關信號中的振蕩。開關電壓信號中的振蕩很容易被誤認為開通或關斷轉(zhuǎn)換,。這種大幅度振蕩是SMPS 在非持續(xù)電流模式(DCM) 和持續(xù)電流模式(CCM) 之間切換時電路中的寄生元件造成的,。
圖11 以簡化形式表示出了一個開關信號。這種振蕩使示波器很難識別真正的開通或關斷轉(zhuǎn)換,。一種解決方法是預先定義一個信號源進行邊沿識別,、一個參考電平和一個遲滯電平，如圖12 所示,。根據(jù)信號復雜度和測量要求的不同,，也可以將測得信號本身作為邊沿電平的信號源?；蛘?，也可以指定某些其它的整潔的信號。
在某些開關電源設計 (如有源功率因數(shù)校正變流器) 中,，振蕩可能要嚴重得多,。DCM 模式大大增強了振蕩，因為開關電容開始和濾波電感產(chǎn)生共振,。僅僅設置參考電平和磁滯電平可能不足以識別真正的轉(zhuǎn)換,。
這種情況下，開關器件的柵極驅(qū)動信號 (即圖1 和圖2中的時鐘信號) 可以確定真正的開通和關斷轉(zhuǎn)換,，如圖13 所示,。這樣就只需要適當設置柵極驅(qū)動信號的參考電平和磁滯電平。
圖11. 用于識別Ton 和Toff 轉(zhuǎn)換的柵極信號Vg
圖12. 開關器件的典型信號特征,。