怎樣用泰克MSO示波器及功率分析軟件進行重要的電源測量（上）

引言

當(dāng)今電源設(shè)計人員面臨著越來越大的壓力，需要實現(xiàn)90%、甚至更高的功率轉(zhuǎn)換效率。推動這種發(fā)展趨勢的因素，包括延長便攜式電子器件中的電池續(xù)航時間、物聯(lián)網(wǎng)以及對功耗更低的“更加綠色的”產(chǎn)品的需求。許多設(shè)計正在使用GaN或SiC開關(guān)器件代替硅FETs和IGBTs。一如既往，產(chǎn)品上市時間壓力正不斷推動著測試速度加快（同時還要非常準(zhǔn)確）。

4系列B MSO提供了FlexChannel輸入及新型圖形用戶界面，設(shè)計人員可以一次測試多個測試點，從而加快測試速度。高級功率測量和分析選項 （4/5/6-PWR）為關(guān)鍵功率測量自動完成設(shè)置過程，并提供了多種工具，根據(jù)電源設(shè)計指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)評估測試結(jié)果。

本應(yīng)用指南將概括介紹怎樣使用泰克4系列B MSO示波器及4/5/6-PWR功率分析軟件進行重要的電源測量。

準(zhǔn)備電源測量

為進行準(zhǔn)確測量，必須正確設(shè)置功率測量系統(tǒng)，精確地捕獲波形，進行分析和調(diào)試。要考慮的重要課題有：

■消除電壓探頭和電流探頭之間的時延

■消除探頭偏置

■對電流探頭消磁

消除電壓探頭和電流探頭之間的時延

在使用示波器進行功率測量時，必需測量經(jīng)過被測器件的電壓及流經(jīng)被測器件的電流。這項任務(wù)要求兩只單獨的探頭：一只電壓探頭（通常是高壓差分探頭）和一只電流探頭。每只電壓探頭和電流探頭都有自己的傳播延遲特性，這些波形中產(chǎn)生的邊沿可能并沒有對準(zhǔn)。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱為時延，會導(dǎo)致幅度和定時測量不準(zhǔn)確。

由于時延產(chǎn)生了定時延遲，因此它會導(dǎo)致定時差、相位和功率系數(shù)測量不準(zhǔn)確。許多測量系統(tǒng)可以“自動校準(zhǔn)”儀器內(nèi)部的延遲，但在系統(tǒng)中增加探頭時，必須補償探頭放大器和電纜長度的差異。

泰克4系列B MSO可以補償從探頭尖端到測量系統(tǒng)的延遲，確保進行最準(zhǔn)確的定時測量。您可以手動校正探頭時延，把探頭連接到相同的波形源，然后把延遲加到較快信號的信號路徑中，這樣就可以在時間上對準(zhǔn)信號，而不必以物理方式在較短的探頭電纜中增加電纜長度。

圖1. 在調(diào)節(jié)前對差分電壓探頭和電流探頭之間的時延進行靜態(tài)補償。這些探頭有機載內(nèi)存，存儲著標(biāo)稱傳播延遲。

4系列B MSO還提供了單鍵“靜態(tài)”時延校正功能。圖1是兩個TekVPI功率探頭之間的時延實例。示波器從探頭中讀取標(biāo)稱傳播延遲，計算出兩只探頭之間的延遲差約為1.48ns。您只需按OK，Deskew按鈕就會調(diào)節(jié)信號之間的相對定時。

圖2顯示了圖1中使用的相同的測試設(shè)置在運行靜態(tài)時延校正功能之后的結(jié)果。如果使用的是非泰克探頭，您需要手動校正電壓和電流波形時延，配置電流探頭設(shè)置。

圖2. 調(diào)節(jié)后靜態(tài)時延補償。注意根據(jù)探頭中存儲的傳播延遲，已經(jīng)增加了-1.48 ns的時延校正。

消除探頭偏置

差分探頭可能有很小的電壓偏置。這個偏置可能會影響精度，應(yīng)先消除這個偏置后再繼續(xù)測量。大多數(shù)差分電壓探頭有內(nèi)置DC偏置調(diào)節(jié)控制，因此去除偏置相對簡單。

類似的，必需先調(diào)節(jié)電流探頭上的偏置，然后才能進行測量。通過把DC電流清零到0A的中位數(shù)值或盡可能接近0A，可以調(diào)節(jié)電流探頭偏置。TekVPI探頭，如TCP0030AAC/DC電流探頭，內(nèi)置了自動 Degauss / AutoZero（消磁 / 自動清零）程序，只需按探頭補償盒上的按鈕，就可以完成操作。

對電流探頭消磁

消磁功能會消除變壓器磁芯中任何殘留的DC流量，這可能是由大量的輸入電流引起的。這種殘余流量會導(dǎo)致偏置誤差，應(yīng)消除這種誤差，提高測量的準(zhǔn)確度。

泰克TekVPI電流探頭提供了一個消磁警告指示燈，會警告用戶執(zhí)行消磁操作。消磁警告指示燈非常重要，因為電流探頭會隨著時間推移產(chǎn)生漂移，可能會明顯影響測量。

許多電源拓撲要求在存在大的共模信號時測量小的差分電壓。例如，半橋開關(guān)電路上管的VGS和VDS通常會相對于地電平上下移動幾百或幾千伏的電壓。IsoVuTM隔離測量系統(tǒng)可以與4系列B MSO結(jié)合使用，提供超高共模抑制功能。

解決寬禁帶測試挑戰(zhàn)

直到目前，半橋開關(guān)電路上管的開關(guān)測量幾乎都是不可能實現(xiàn)的。任何相對于開關(guān)節(jié)點的測量，包括高側(cè)VDS和經(jīng)過電流并聯(lián)裝置的電壓，都會遭受明顯共模電壓信號沖擊差分信號導(dǎo)致的失真。這個問題在寬禁帶器件中變得更加嚴(yán)重，比如GaN和SiC晶體管，因為開關(guān)頻率提高了，必須優(yōu)化全新設(shè)計。IsoVu探頭優(yōu)異的共模抑制功能以及高級功率測量和分析自動化功能，為優(yōu)化最新GaN和SiC設(shè)計提供了有效的解決方案。

輸入分析

工頻測量表征設(shè)計對輸入變化、設(shè)計吸收的電流和功率以及設(shè)計的工頻電流失真的反應(yīng)。某些測量如功耗是關(guān)鍵指標(biāo)。其他測量如功率因數(shù)和諧波，可能會有法規(guī)限制。

功率質(zhì)量測量

在4/5/6-PWR中，功率質(zhì)量測量是一套標(biāo)準(zhǔn)功率測量。它們通常在AC線路輸入上執(zhí)行，但也可以應(yīng)用到器件的AC輸出上，如功率逆電器。這些測量包括：

■頻率

■RMS電壓和電流

■波峰因數(shù)（電壓和電流）

■有功率、無功功率和視在功率

■功率因數(shù)和相位

進行測量

通過使用差分探頭測量系統(tǒng)的工頻電壓，使用電流探頭測量系統(tǒng)的工頻電流，可以簡便地進行功率質(zhì)量測量。也可以使用相同的設(shè)置，來測量電流諧波。

圖5. 功率質(zhì)量測量繪制了豐富的AC線路圖畫。上方波形是工頻電壓，電流是紅色波形，瞬時功率是橙色波形。結(jié)果標(biāo)簽（右上方）顯示了工頻特點摘要，上方區(qū)域的結(jié)果表可以激活，提供更詳細的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計信息。

測量結(jié)果

? 頻率：電壓波形的頻率，單位為Hz

?VRMS：顯示的電壓波形的均方根值

?IRMS：顯示的電流波形的均方根值

?電壓波峰因數(shù)：電壓的峰值幅度除以電壓的RMS值

?電流波峰因數(shù)：電流的峰值幅度除以電流的RMS值

? 有功率：測量的系統(tǒng)的實數(shù)功率，單位為瓦特(W)

?無功功率：臨時存儲在電感或電容單元中的虛數(shù)功率，用Volt-Amperes-Reactive(VAR)表示

?視在功率：測量的復(fù)合功率的絕對值，單位為伏安(VA)

?功率因數(shù)：有功率與視在功率之比

?相位：有功率與視在功率之間的角度，單位為度

諧波

當(dāng)非線性器件使流入電路的電流失真時，就會發(fā)生電流諧波。線性電路只在基礎(chǔ)工頻吸收電流，但非線性電路在基礎(chǔ)頻率的倍數(shù)上吸收電流，每個諧波有不同的幅度和相位。

在電流與諧波流經(jīng)配電系統(tǒng)的阻抗時，會產(chǎn)生電壓失真。熱量會在線纜和變壓器中積聚，在連接到電網(wǎng)的開關(guān)電源數(shù)量提高時，電網(wǎng)上的諧波失真也會提高。

因此，業(yè)內(nèi)已經(jīng)設(shè)計了多項標(biāo)準(zhǔn)，限制非線性負載對功率質(zhì)量的影響。業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了IEC61000-3-2和MIL-STD-1399之類的標(biāo)準(zhǔn)，來限制諧波。

IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)限制的是注入市電電源系統(tǒng)的電流諧波。它適用于每一相輸入電流最高16A、連接到公共低壓配電系統(tǒng)（230V AC或415V AC三相）的所有電氣和電子設(shè)備。該標(biāo)準(zhǔn)進一步分成A級（平衡三相設(shè)備）、B級（便攜式工具）、C級（照明設(shè)備和調(diào)光裝置）和 D級（擁有獨特的電流波形要求的設(shè)備）。

MIL-STD-1399對設(shè)備（負載）提出了技術(shù)規(guī)范和測試要求，以保持兼容艦載AC功率系統(tǒng)，從計算機和通信設(shè)備直到空調(diào)

圖6. 設(shè)置基本電流諧波分析只要求幾個簡單的設(shè)置。這個實例顯示了針對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行預(yù)一致性檢查的設(shè)置

4/5/6-PWR分析應(yīng)用可以簡便地測量電流諧波。它可以以表格方式和圖形方式顯示測量結(jié)果。設(shè)計人員還可以在認證之前，迅速比較器件性能與滿足的標(biāo)準(zhǔn)，因為認證通常會耗費大量時間，而且成本非常高。在示波器中提供測量功能，不僅可以加快調(diào)試速度，還可以幫助避免最后再為了滿足法規(guī)要求而改變設(shè)計。

圖7. 使用4/5/6-PWR獲得的諧波結(jié)果。右下方可以看到非正弦電流波形及諧波。諧波條形圖用分貝顯示了諧波內(nèi)容。奇數(shù)諧波最明顯，但完全落在IEC 61000-3-2極限范圍內(nèi)。

進行測量

使用差分電壓探頭測量工頻電壓，使用電流探頭測量工頻電流。

如果您想比較設(shè)計中的諧波與IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)中的極限，那么必須確定工頻，必需選擇等級類型。在C級和D級標(biāo)準(zhǔn)中，還需要把輸入功率、功率因數(shù)和基礎(chǔ)電流輸入到系統(tǒng)中。分析軟件包將加載預(yù)先確定的極限表，對比測得諧波與極限，然后將顯示預(yù)一致性測試結(jié)果，如圖8所示。

圖8. 可以以圖形方式顯示最多400個諧波。表中顯示了IEC 61000-3-2預(yù)一致性測試結(jié)果。根據(jù)設(shè)置，分析軟件包將加載預(yù)先確定的極限表，對比每個測得的諧波與極限。

測量結(jié)果

? Results標(biāo)簽顯示了選擇的諧波標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)諧波和三階諧波幅度、THD-F、THD-R、RMS值和通過/未通過狀態(tài)。

?可以選擇各個諧波，測量值在結(jié)果標(biāo)簽、柱狀圖和結(jié)果表之間鏈接起來。

?諧波表包括：

- 選擇的諧波標(biāo)準(zhǔn)

- 諧波數(shù)和頻率

- 幅度（RMS）：諧波測得的RMS幅度值，單位為dBμA或A

- 幅度（%）：相對于基礎(chǔ)頻率的諧波測得幅度

- 相位：相對于頻率基準(zhǔn)的諧波相位，單位為度

- 極限：指定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波極限

- 狀態(tài)：預(yù)一致性測試通過/失敗狀態(tài)

- 裕量：實測值與極限之差

? 電流諧波可以用分貝微安（dBμA）或安培（A）為單位顯示

圖9. 對通道7上的電流執(zhí)行自動浪涌電流測量和電容測量

浪涌電流和輸入電容

通常，浪涌電流會在首次通電時出現(xiàn)。電源轉(zhuǎn)換器在其輸入電容充電時會汲取相對較高的電流。初始浪涌之后，除非發(fā)生其他系統(tǒng)變化，否則電流將維持在穩(wěn)定狀態(tài)。浪涌電流測量可提供有關(guān)電源設(shè)計的重要信息，包括保護器件的尺寸。在極端情況下，浪涌電流會導(dǎo)致交流線路電壓驟降。

此功率分析軟件支持自動浪涌測量。功率分析軟件會識別浪涌區(qū)域并在顯示器上標(biāo)注，最后計算該區(qū)域內(nèi)的浪涌電流。

由于示波器會對電壓和電流波形進行數(shù)字化處理，因此軟件還可通過積分電流找到電荷，然后使用等式 c=q/v 測量系統(tǒng)的輸入電容。除了分析電源啟動的特性之外，動態(tài)電容測量還有助于分析切換裝置中的柵極充電行為。與其他電容測量技術(shù)相比，我們使用即時電流和電壓波形測量工作條件下的總電容。

浪涌電流和輸入電容直接相關(guān)，且兩者均可提供重要的詳細信息，讓工程師充分了解電源轉(zhuǎn)換器的啟動特性。

圖10. 電源接通時會發(fā)生浪涌。電流波形在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前呈現(xiàn)出逐漸減小的峰值。

圖11. 使用4/5/6-PWR進行開關(guān)損耗測量。把瞬時功率的電流和電壓相乘，可以得到上方軌跡（橙色）。損耗測量在瞬時功率波

形上執(zhí)行。每個損耗區(qū)域都用帶顏色的標(biāo)記標(biāo)出，標(biāo)記與測量標(biāo)簽對應(yīng)。底部波形是開關(guān)上的電壓和流經(jīng)開關(guān)的電流。

開關(guān)分析

電源開關(guān)階段的測量確認轉(zhuǎn)換器是否正確運行，量化損耗來源，確認器件在正常范圍內(nèi)工作。

開關(guān)損耗測量

在各種物理電容器和寄生電容器充電時，會發(fā)生開通損耗，電感器會產(chǎn)生磁場，會發(fā)生相關(guān)的瞬態(tài)電阻損耗。同樣，在開關(guān)電源關(guān)斷時，即使市電已經(jīng)拔下，仍會有能量放電并與各種元件交互，因此也會發(fā)生損耗。

進行測量

為了進行開關(guān)損耗測量，示波器必須測量經(jīng)過開關(guān)上的電壓和流經(jīng)器件的電流。開關(guān)損耗結(jié)果如圖11所示。

測量結(jié)果

? Ton：每個周期開通功率和能量損耗值的均值

?Toff：每個周期關(guān)斷功率和能量損耗值

?Total：每個周期總平均功率損耗和平均能量值

?左右箭頭按鈕可以遍歷開關(guān)周期，放大查看問題區(qū)域

?還可以在結(jié)果表中查看測量數(shù)據(jù)。這個表格會顯示所有開關(guān)周期的累積測量結(jié)果，迅速進行復(fù)核。

圖12. Rds（on）測量 Ch1（黃色）波形是FET V DS電壓，Ch2（青色）波形是FET電流。波形會在相位上呈現(xiàn)反相的狀態(tài)，以正確指示導(dǎo)通區(qū)域中的電流更大?！皵?shù)學(xué)”功能將會繪制RDSon值，且結(jié)果標(biāo)簽會顯示根據(jù)數(shù)學(xué)波形計算的最小RDSon值。在圖示這種情況下為1.13mOhms。

Rds（on）

當(dāng)開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)并正在傳導(dǎo)電流時，此測量可分析漏極至源極電阻特性。動態(tài)導(dǎo)通電阻是指器件導(dǎo)通時兩端的電壓與流經(jīng)裝置的電流之比。您可以使用游標(biāo)選通功能準(zhǔn)確地測量RDS（on），這是導(dǎo)致開關(guān)器件損耗的重要原因。

圖13. 晶體管的安全工作區(qū)(SOA)圖。

安全工作區(qū)

開關(guān)晶體管的安全工作區(qū)（SOA）決定著電壓一定時可以安全流經(jīng)晶體管的電流。SOA通常在BJT、MOSFET或IGBT開關(guān)晶體管的產(chǎn)品技術(shù)資料中作出規(guī)定。它表示為VCE（對FET為VDS）相對于ICE（或IDS ）關(guān)系圖，描述了晶體管在不劣化或不損壞的情況下可以工作的范圍。

功率分析軟件可以把器件產(chǎn)品技術(shù)資料中的SOA上傳到4系列B MSO中，然后您可以在實際器件上，測量電壓和電流。示波器記錄V-I圖，可以指明任何參數(shù)是否超出SOA。

進行測量

在電源中運行晶體管時，確定晶體管的SOA的主要挑戰(zhàn)之一，是在各種負載場景、溫度變動和工頻輸入電壓變化下準(zhǔn)確地捕獲電壓和電流數(shù)據(jù)。4/5/6-PWR自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)捕獲和分析，簡化了這一任務(wù)。測量要求探測開關(guān)晶體管上的電壓和流經(jīng)的電流。

圖14. 使用4/5/6-PWR進行SOA測試。如果數(shù)據(jù)點落在模板區(qū)域內(nèi)，那么它們是黃色的，表示“通過”；如果落在模板區(qū)域外面，那么它們是紅色的，表示“未通過”。在本例中，V-I曲線落在SOA外面，表明開關(guān)器件受到的壓力過大。

下一步是設(shè)置SOA模板，如圖15所示，SOA模板編輯器允許輸入晶體管的SOA極限，極限在晶體管產(chǎn)品技術(shù)資料中確定，或由您自己的標(biāo)準(zhǔn)確定。

圖15. SOA模板編輯器窗口。模板由一套（電壓 , 電流）坐標(biāo)確定，坐標(biāo)來自開關(guān)器件產(chǎn)品技術(shù)資料，也可以由用戶自己確定。

測量結(jié)果

在設(shè)置完成后，會顯示SOA測試結(jié)果，如圖14所示。電壓和電流波形在XY模式下在一條記錄中繪制。示圖顯示了一個采集周期的所有數(shù)據(jù)。

結(jié)果標(biāo)簽顯示了器件落在SOA模板外面的次數(shù)，給出了測試通過/未通過結(jié)果。

審核編輯：劉清