測(cè)量電源上的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)： 示波器接地問題

測(cè)量低電壓（＜1V）/高電流（30-150A）電源的示波器輸出紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，每種新設(shè)置都有自己的誤差。使用示波器“tip-and-barrel”方法或?qū)Ｓ闷ヅ渥杩沟碾妷簷z測(cè)電纜解決了探頭引線接地引起的誤差。但是，即使使用最好的探測(cè)方法，也可能得到失真的輸出測(cè)量，尤其是在應(yīng)用或去除動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)。我注意到兩個(gè)誤差來源：

由通過電壓探頭接地側(cè)到示波器接地的電流引起的接地環(huán)路和示波器的交流插頭接地連接。

當(dāng)同時(shí)在同一示波器上測(cè)量多個(gè)信號(hào)時(shí)，示波器可能在多個(gè)點(diǎn)接地測(cè)試設(shè)置，從而在所有通道中產(chǎn)生誤差。當(dāng)在同一臺(tái)示波器上同時(shí)顯示輸出電壓和輸出電流時(shí)尤其如此。

讓我們更深入地觀察第一個(gè)誤差源。如果示波器接地到與電源或輸出負(fù)載相同的建筑物接地線路，那么負(fù)載變化可以驅(qū)動(dòng)示波器探頭接地外殼中的電流。該電流乘以外殼的阻抗將顯示為示波器本身的電壓，可能淹沒嘗試測(cè)量的實(shí)際紋波。這種接地外殼電流的其他來源包括具有噪聲的實(shí)驗(yàn)室電源本身（甚至在靜態(tài)負(fù)載情況下）和外部信號(hào)發(fā)生器。

目前消除或減少接地外殼電流的方法有：

將交流電線纏繞環(huán)形鐵氧體幾圈后連接信號(hào)發(fā)生器。

將動(dòng)態(tài)負(fù)載放置在測(cè)試板上，不使用外部電子負(fù)載。

其他選項(xiàng)包括使用電池供電的示波器或具有隔離輸入的示波器。

第二個(gè)誤差源示波器接地沖突問題不如第一個(gè)為人所知。這也是在使用示波器同時(shí)顯示輸出電壓和動(dòng)態(tài)負(fù)載電流變化或多個(gè)輸出電壓時(shí)，電源動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)測(cè)量失真的原因。測(cè)量多個(gè)低電壓，示波器接地將通過多個(gè)探頭連接到多個(gè)點(diǎn)的測(cè)試設(shè)置。實(shí)際示波器接地將是接地連接的“平均值”。

例如，如果電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)和電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電源地之間的電壓差為+40mV，且兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接地連接質(zhì)量相似，則電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)+20mV的誤差，電流監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)-20mV的誤差。電流監(jiān)視器通常具有幾百毫伏的信號(hào)，而計(jì)算機(jī)核心電源等低電壓應(yīng)用允許的輸出電壓過沖/下沖為50mV或更低。

圖1是電源輸出測(cè)試設(shè)置的示例，圖中監(jiān)測(cè)了輸出對(duì)大階躍負(fù)載的響應(yīng)，而且示波器還監(jiān)測(cè)著低電阻上的動(dòng)態(tài)負(fù)載電流。我使用信號(hào)發(fā)生器獲得具有所需上升、下降時(shí)間和感應(yīng)電壓的階躍負(fù)載，用50Ω電纜連接到J502。50Ω R527可抑制電纜上的任何反射。我使用tip-and-barrel方法用10x示波器探頭檢測(cè)R500上的電流。

圖1：測(cè)試設(shè)置

圖2顯示了在應(yīng)用和去除59A脈沖負(fù)載時(shí)，同一臺(tái)示波器上的檢測(cè)電壓和檢測(cè)動(dòng)態(tài)負(fù)載電流。

應(yīng)用要求是，在負(fù)載階躍和負(fù)載突降情況下，VOUT（圖1中示波器/ J502上的紅色曲線）保持在855-945mV范圍內(nèi)。動(dòng)態(tài)電流在接地的10mΩ電阻（圖1中的R500）上測(cè)量，是圖2中的綠色曲線。

圖 2：連接到示波器時(shí)，具有動(dòng)態(tài)電流檢測(cè)的2A至61A的階躍負(fù)載和負(fù)載突降響應(yīng)

觀察圖2中顯示Vout的兩條紅色曲線通道，在施加負(fù)載階躍時(shí)電壓輸出下降到861mV，然后在較高負(fù)載下穩(wěn)定在889mV。移除（突降）相同增加的負(fù)載時(shí)，在穩(wěn)定在900mV之前，電壓輸出達(dá)到峰值940mV。因此，電壓輸出保持在855-945mV限制內(nèi)，測(cè)試“通過”。觀察顯示10mΩ電流檢測(cè)電阻上電壓的三條綠色曲線通道，動(dòng)態(tài)負(fù)載從0A增加到593mV/10mΩ（或59A），然后回到0A。

斷開電流檢測(cè)探頭與示波器的連接，輸出端顯示不同的電壓波形。參見圖3。

圖 3：電流檢測(cè)與示波器斷開時(shí)，相同動(dòng)態(tài)響應(yīng)的VOUT

觀察圖3中顯示輸出電壓的兩條紅色曲線通道，在施加負(fù)載階躍時(shí)電壓輸出下降到863mV，然后在較高負(fù)載下穩(wěn)定在896mV。移除（突降）相同增加的負(fù)載時(shí)，在穩(wěn)定在900mV之前，電壓輸出達(dá)到峰值949mV。因此，輸出電壓高于945mV極限，測(cè)試“失敗”。

裝置外測(cè)試經(jīng)驗(yàn)

使用外接“負(fù)載slammer”進(jìn)行測(cè)試，并嘗試監(jiān)控主板上的輸出電壓和slammer上的動(dòng)態(tài)負(fù)載，動(dòng)態(tài)響應(yīng)表現(xiàn)非常差。當(dāng)從示波器中移除電流檢測(cè)連接后，我看到了良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在上述案例中，電流檢測(cè)連接造成了虛假的故障。

如果要在同一示波器上監(jiān)測(cè)電流和電壓，則需要具有完全隔離輸入的示波器或檢測(cè)電阻在電壓紋波監(jiān)測(cè)器正確接地的動(dòng)態(tài)負(fù)載。對(duì)于第一個(gè)選項(xiàng)，您還需要兩組具有良好輸入隔離的差分探頭。

請(qǐng)關(guān)注即將發(fā)表的下一篇博客，該文將介紹采用動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試接口的設(shè)計(jì)，無需差分探頭就可以同時(shí)監(jiān)測(cè)電壓和動(dòng)態(tài)電流。

審核編輯：金巧