如何才能用好示波器 示波器的數(shù)學功能要了解清楚

大多數(shù)工程實驗室都有數(shù)字示波器，但是許多工程師并未完全探索其功能。數(shù)字示波器更有趣的功能之一是其數(shù)學通道，可以幫助您分析熱插拔和負載開關(guān)電路。數(shù)學函數(shù)可以提供有關(guān)熱插拔電路參數(shù)的詳細信息，可以幫助您進行設計和故障排除。例如，您可以使用示波器的數(shù)學函數(shù)來計算負載電容，從而可顯示MOSFET在啟動或關(guān)閉期間的瞬態(tài)功耗。本文利用了美信MOSFET MAX5976熱插拔器件，教大家如何才能用好示波器。

示波器設置

為了了解如何使用數(shù)學函數(shù)，請考慮使用集成MOSFET MAX5976熱插拔器件，它內(nèi)部集成了MOSFET開關(guān)元件，電流檢測和驅(qū)動器電路，從而構(gòu)成了完整的電源開關(guān)電路。該測試方法還適用于由分立元件構(gòu)成的熱插拔控制電路，將示波器探頭連接到圖1中的熱插拔電路，可以使示波器訪問計算所需的信號。電壓探頭連接到電路的輸入和輸出，從而在MOSFET上提供壓降。電流探頭提供了最簡單的方法來檢測通過設備的負載電流。

圖1將電壓探針連接到MOSFET上以測量VDS（a），將電流探針連接到ID（b）。

相同的基本連接適用于非集成熱插拔電路，在MOSFET之前和之后連接輸入和輸出電壓探頭，這些探頭位于MAX5976內(nèi)部，將電流探頭與電路的電流檢測電阻串聯(lián)。為了準確測量流過開關(guān)元件的電流，請將電流探頭放置在輸入旁路電容器之后和輸出電容器之前。探頭必須測量流經(jīng)控制器的電流。電容器COUT和CIN不能在控制器和電流探頭之間。

MOSFET功耗

開關(guān)元件（通常為N溝道MOSFET）中的功耗是VDS（漏極至源極電壓）和ID（漏極電流）的乘積。選擇示波器探頭，以使VDS為通道2和通道1之差，并使用電流探頭測量漏極電流。本例中的示波器Tektronix DPO3034具有通過高級數(shù)學菜單配置的數(shù)學軌跡。

要測量MOSFET的功耗，只需輸入一個方程，該方程從通道2中減去通道1，然后將結(jié)果乘以電流探針信號即可。使能熱插拔電路時，其輸出電壓以特定的dV / dt壓擺率向輸入電勢上升。負載電容充電電流根據(jù)以下公式流過MOSFET：ID = COUT×（dV / dt）。

在示波器上捕獲此啟動事件會產(chǎn)生圖2的波形，其輸出電容為360μF，輸入電壓為12V。熱插拔設備將浪涌電流限制為2A。請注意，在恒定電流為負載電容COUT充電的情況下，功率波形呈遞減斜率，從24W（12V×2A）開始，隨著輸出上升至12V而下降至0W。

圖2 COUT的電路MOSFET功耗（中間跡線，紅色）為360F。熱插拔設備將浪涌電流限制為2A。

這些測量值可以告訴您MOSFET是否在電壓，電流和溫度的安全范圍內(nèi)。您可以通過參考MOSFET數(shù)據(jù)表中的相關(guān)圖表來估算MOSFET的結(jié)溫升高，直接從實際電壓和電流測量結(jié)果計算出功率波形，消除了近似估算功耗所固有的誤差。此外，當浪涌電流和dV / dt都不恒定時，您可以在啟動事件期間準確捕獲功率波形（圖3）。 COUT為360μF，浪涌電流鉗位在2A。

圖3在啟動期間，流過MOSFET的電壓（頂部跡線，黃色）和流過MOSFET的電流（底部跡線，綠色）ID都不恒定。

如果示波器的數(shù)學功能包括積分功能，則可以進一步進行波形計算。積分可以顯示事件期間沉積在MOSFET中的總能量。圖4將積分功能應用于MOSFET的功率信息。由于功率波形為三角形，其啟動時間約為2毫秒，因此可以預期獲得約24W / 2×2毫秒= 24毫焦的能量，該能量會在MOSFET中轉(zhuǎn)換為熱量。在啟動事件結(jié)束時，數(shù)學通道的功率積分幾乎達到了24 mJ的能量。

圖4功耗積分計算了消耗在MOSFET中的總能量。

您可以將此技術(shù)應用于影響MOSFET的其他瞬態(tài)條件，例如關(guān)斷，短路或過載事件。如此詳細的功率和能量信息，使您可以在檢查MOSFET的安全工作區(qū)和熱特性時精確計算脈沖持續(xù)時間和“單脈沖功率”。

測量負載電容

您還可以使用示波器的積分功能來測量熱插拔負載電容，前提是在啟動過程中電阻負載電流很小。電容是施加到電容器的每伏特所存儲的電荷量，而電荷只是電流的時間積分。因此，通過積分熱插拔浪涌電流并除以輸出電壓，示波器的數(shù)學功能可以準確地測量總負載電容。

圖5中的熱插拔控制器連接三個陶瓷輸出電容器，每個電容器的標稱值為10F。電容跡線（紅色）最初是無意義的，因為在輸出電壓上升之前會發(fā)生零分頻問題。但是，當輸出電壓超過0V時，數(shù)學通道會迅速收斂至約27μF的測量電容。

圖5輸出電容測量結(jié)果表明COUT為30μF。

圖6重復了圖5的實驗，但在輸出端增加了一個標稱值為330μF的鋁電解電容器。在啟動事件結(jié)束時，顯示測得的輸出電容約為350μF，幾乎完全符合期望。

圖6添加一個330μF電容器可產(chǎn)生350μF的測量輸出電容。

請記住，電阻性負載會吸收未存儲在電容器中的電流，從而降低了電容測量的準確性。但是，對于短時間的測量，結(jié)果仍然有用。

本文作者：德懷特·拉森（Dwight Larson），Maxim Integrated Products高級技術(shù)人員。 他在休斯頓大學獲得電氣工程學士學位，并擁有四項專利。拉爾森（Larson）從1985年到1991年在美國海軍服役，擔任潛水艇核反應器機械師和放射控制技術(shù)員