怎樣用泰克MSO示波器及功率分析軟件進(jìn)行重要的電源測量（上）

引言

當(dāng)今電源設(shè)計(jì)人員面臨著越來越大的壓力，需要實(shí)現(xiàn)90%、甚至更高的功率轉(zhuǎn)換效率。推動(dòng)這種發(fā)展趨勢(shì)的因素，包括延長便攜式電子器件中的電池續(xù)航時(shí)間、物聯(lián)網(wǎng)以及對(duì)功耗更低的“更加綠色的”產(chǎn)品的需求。許多設(shè)計(jì)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(shí)間壓力正不斷推動(dòng)著測試速度加快（同時(shí)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(jì)人員可以一次測試多個(gè)測試點(diǎn)，從而加快測試速度。高級(jí)功率測量和分析選項(xiàng) （4/5/6-PWR）為關(guān)鍵功率測量自動(dòng)完成設(shè)置過程，并提供了多種工具，根據(jù)電源設(shè)計(jì)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)評(píng)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(jìn)行重要的電源測量。

準(zhǔn)備電源測量

為進(jìn)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(jìn)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(shí)延

■消除探頭偏置

■對(duì)電流探頭消磁

消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)延

在使用示波器進(jìn)行功率測量時(shí)，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(xiàng)任務(wù)要求兩只單獨(dú)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(duì)準(zhǔn)。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱為時(shí)延，會(huì)導(dǎo)致幅度和定時(shí)測量不準(zhǔn)確。

由于時(shí)延產(chǎn)生了定時(shí)延遲，因此它會(huì)導(dǎo)致定時(shí)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(dòng)校準(zhǔn)”儀器內(nèi)部的延遲，但在系統(tǒng)中增加探頭時(shí)，必須補(bǔ)償探頭放大器和電纜長度的差異。

泰克4系列B MSO可以補(bǔ)償從探頭尖端到測量系統(tǒng)的延遲，確保進(jìn)行最準(zhǔn)確的定時(shí)測量。您可以手動(dòng)校正探頭時(shí)延，把探頭連接到相同的波形源，然后把延遲加到較快信號(hào)的信號(hào)路徑中，這樣就可以在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)信號(hào)，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(duì)差分電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)延進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償。這些探頭有機(jī)載內(nèi)存，存儲(chǔ)著標(biāo)稱傳播延遲。

4系列B MSO還提供了單鍵“靜態(tài)”時(shí)延校正功能。圖1是兩個(gè)TekVPI功率探頭之間的時(shí)延實(shí)例。示波器從探頭中讀取標(biāo)稱傳播延遲，計(jì)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(huì)調(diào)節(jié)信號(hào)之間的相對(duì)定時(shí)。

圖2顯示了圖1中使用的相同的測試設(shè)置在運(yùn)行靜態(tài)時(shí)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(dòng)校正電壓和電流波形時(shí)延，配置電流探頭設(shè)置。

圖2. 調(diào)節(jié)后靜態(tài)時(shí)延補(bǔ)償。注意根據(jù)探頭中存儲(chǔ)的傳播延遲，已經(jīng)增加了-1.48 ns的時(shí)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(gè)偏置可能會(huì)影響精度，應(yīng)先消除這個(gè)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(duì)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(jìn)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(dòng) Degauss / AutoZero（消磁 / 自動(dòng)清零）程序，只需按探頭補(bǔ)償盒上的按鈕，就可以完成操作。

對(duì)電流探頭消磁

消磁功能會(huì)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(huì)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(gè)消磁警告指示燈，會(huì)警告用戶執(zhí)行消磁操作。消磁警告指示燈非常重要，因?yàn)殡娏魈筋^會(huì)隨著時(shí)間推移產(chǎn)生漂移，可能會(huì)明顯影響測量。

許多電源拓?fù)湟笤诖嬖诖蟮墓材Ｐ盘?hào)時(shí)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(huì)相對(duì)于地電平上下移動(dòng)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(shí)現(xiàn)的。任何相對(duì)于開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(huì)遭受明顯共模電壓信號(hào)沖擊差分信號(hào)導(dǎo)致的失真。這個(gè)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?yàn)殚_關(guān)頻率提高了，必須優(yōu)化全新設(shè)計(jì)。IsoVu探頭優(yōu)異的共模抑制功能以及高級(jí)功率測量和分析自動(dòng)化功能，為優(yōu)化最新GaN和SiC設(shè)計(jì)提供了有效的解決方案。

輸入分析

工頻測量表征設(shè)計(jì)對(duì)輸入變化、設(shè)計(jì)吸收的電流和功率以及設(shè)計(jì)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(huì)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(jìn)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(jìn)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(shí)功率是橙色波形。結(jié)果標(biāo)簽（右上方）顯示了工頻特點(diǎn)摘要，上方區(qū)域的結(jié)果表可以激活，提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)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(shí)數(shù)功率，單位為瓦特(W)

?無功功率：臨時(shí)存儲(chǔ)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(duì)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(shí)，就會(huì)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(gè)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓失真。熱量會(huì)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(shí)，電網(wǎng)上的諧波失真也會(huì)提高。

因此，業(yè)內(nèi)已經(jīng)設(shè)計(jì)了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，限制非線性負(fù)載對(duì)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(jìn)一步分成A級(jí)（平衡三相設(shè)備）、B級(jí)（便攜式工具）、C級(jí)（照明設(shè)備和調(diào)光裝置）和 D級(jí)（擁有獨(dú)特的電流波形要求的設(shè)備）。

MIL-STD-1399對(duì)設(shè)備（負(fù)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(jì)算機(jī)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(gè)簡單的設(shè)置。這個(gè)實(shí)例顯示了針對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jì)人員還可以在認(rèn)證之前，迅速比較器件性能與滿足的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檎J(rèn)證通常會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)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?cè)O(shè)計(jì)。

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(jìn)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(jì)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(jí)類型。在C級(jí)和D級(jí)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(duì)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(gè)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(duì)比每個(gè)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(gè)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(duì)于基礎(chǔ)頻率的諧波測得幅度

- 相位：相對(duì)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(shí)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(duì)通道7上的電流執(zhí)行自動(dòng)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(huì)在首次通電時(shí)出現(xiàn)。電源轉(zhuǎn)換器在其輸入電容充電時(shí)會(huì)汲取相對(duì)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(jì)的重要信息，包括保護(hù)器件的尺寸。在極端情況下，浪涌電流會(huì)導(dǎo)致交流線路電壓驟降。

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

由于示波器會(huì)對(duì)電壓和電流波形進(jìn)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(dòng)的特性之外，動(dòng)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(shí)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(xì)信息，讓工程師充分了解電源轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)特性。

圖10. 電源接通時(shí)會(huì)發(fā)生浪涌。電流波形在達(dá)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(jìn)行開關(guān)損耗測量。把瞬時(shí)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(shí)功率波

形上執(zhí)行。每個(gè)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(duì)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(rèn)轉(zhuǎn)換器是否正確運(yùn)行，量化損耗來源，確認(rèn)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(shí)，會(huì)發(fā)生開通損耗，電感器會(huì)產(chǎn)生磁場，會(huì)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(shí)，即使市電已經(jīng)拔下，仍會(huì)有能量放電并與各種元件交互，因此也會(huì)發(fā)生損耗。

進(jìn)行測量

為了進(jìn)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(gè)周期開通功率和能量損耗值的均值

?Toff：每個(gè)周期關(guān)斷功率和能量損耗值

?Total：每個(gè)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(gè)表格會(huì)顯示所有開關(guān)周期的累積測量結(jié)果，迅速進(jìn)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(huì)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(huì)繪制RDSon值，且結(jié)果標(biāo)簽會(huì)顯示根據(jù)數(shù)學(xué)波形計(jì)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(shí)，此測量可分析漏極至源極電阻特性。動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻是指器件導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(duì)FET為VDS）相對(duì)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(shí)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(jìn)行測量

在電源中運(yùn)行晶體管時(shí)，確定晶體管的SOA的主要挑戰(zhàn)之一，是在各種負(fù)載場景、溫度變動(dòng)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(dòng)實(shí)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(jìn)行SOA測試。如果數(shù)據(jù)點(diǎn)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(huì)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(gè)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