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使用這些探測小貼士來改善功率轉(zhuǎn)換測試

電子工程師 ? 來源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 2018-02-15 07:10 ? 次閱讀

功率轉(zhuǎn)換器的每個(gè)部分幾乎都存在損耗源,關(guān)鍵區(qū)域的性能即使只改進(jìn)了幾個(gè)百分點(diǎn),可能也會(huì)意義重大。為了準(zhǔn)確評估和測量這么小的性能提高,異常準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。選擇最好的探頭與應(yīng)用關(guān)系密切,因此必須了解應(yīng)用的測量要求,確保探頭與工作完全適應(yīng)。

今天的電源設(shè)計(jì)人員和測試工程師都在努力尋找非常小的漸進(jìn)改良方案,來提高功率轉(zhuǎn)換效率,或降低設(shè)計(jì)中的損耗。這要求能夠準(zhǔn)確評估和測量非常小的性能提高。

幾乎在功率轉(zhuǎn)換器的每個(gè)部分都存在損耗源,關(guān)鍵區(qū)域通常包括開關(guān)半導(dǎo)體、磁性元件和整流器。即使性能只改進(jìn)了幾個(gè)百分點(diǎn),甚至是不到百分之一,可能也會(huì)具有重大的意義。而為了準(zhǔn)確評估和測量這么小的性能提高,異常準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。

大多數(shù)示波器都帶有10X衰減無源探頭,因?yàn)檫@種探頭適合在各種各樣的應(yīng)用中進(jìn)行測量。這些探頭的額定帶寬一般為DC ~ 500 MHz,一般能夠測量高達(dá)幾百伏的電壓。當(dāng)然使用通用探頭進(jìn)行功率測量也是可以的,但與這些專為功率應(yīng)用設(shè)計(jì)的探頭相比,其不可能提供所需的精度,來推動(dòng)改善功率轉(zhuǎn)換性能。

信號(hào)靈敏度

我們看一下通用探頭存在短板的實(shí)例。在電源設(shè)計(jì)和測量中,一個(gè)常見的挑戰(zhàn)是把噪聲與紋波電壓隔開。在本例中,我們要使用通用10X探頭探測3.3 V電源。問題在于, 10X探頭沒有提供足夠的靈敏度,觸發(fā)波形中存在的周期噪聲。這些探頭非常適合許多通用電子測量,因?yàn)樗鼈兲岣吡?a target="_blank">示波器的電壓范圍,提供了相對較高的帶寬。

然而,為了測量幾十毫伏的小信號(hào), 1:1 (1X)探頭會(huì)是更好的選擇,因?yàn)樗鼘?dǎo)致的信號(hào)衰減不大,不會(huì)把信號(hào)向下推進(jìn)到示波器的噪底。遺憾的是,這種靈敏度優(yōu)勢被它的帶寬劣勢抵消了,其帶寬通常只有15 MHz左右。如果這種帶寬對測量不夠,那么最好使用無源2X探頭。

事實(shí)證明,在這種應(yīng)用中,2X探頭是正確的選擇??匆幌聢D1中的波形。黃色軌跡是10X探頭,它調(diào)整到每格10 mV的最低垂直設(shè)置;藍(lán)色波形是2X探頭??梢园?X探頭調(diào)節(jié)到每格2 mV的最低垂直設(shè)置。由于電源輸出會(huì)產(chǎn)生3 mV紋波的信號(hào),因此很明顯,10X衰減的探頭不太適合這種測量。

圖1:使用2X探頭(藍(lán)色軌跡)和10X探頭(黃色軌跡)測量3.3 V電源

差分測量

上面討論的紋波測量,只是電源設(shè)計(jì)和調(diào)試中能夠安全高效地使用單端(參考地電平)探頭的諸多應(yīng)用中的一種。但許多功能轉(zhuǎn)換測量要在浮動(dòng)環(huán)境中完成,這些應(yīng)用中是不能參考地電平的。

圖2指明了沒有綁到接地,要求差分測量技術(shù)的多種常見的功率轉(zhuǎn)換測量:

MOSFET上的漏極到源極電壓(VDS) 續(xù)流二極管上的二極管電壓 電感和變壓器電壓 未接地的電阻器中的電壓降

圖2:推/拉功率轉(zhuǎn)換器上的部分差分測量點(diǎn)

可以通過多種方式執(zhí)行差分測量,包括:

使用兩只單端探頭,計(jì)算電壓差 使用帶有專門設(shè)計(jì)的浮動(dòng)輸入的示波器 選擇與測量最匹配的差分探頭

使用兩只單端探頭

一種常用技術(shù)是使用兩只單端探頭,每只探頭的地線接地,并在被測元件的兩側(cè)尖端,如圖3所示。然后把示波器設(shè)置成顯示通道1和通道2之差。這有時(shí)稱為 “A-B”,它使用示波器中的數(shù)學(xué)運(yùn)算來顯示兩條通道的電壓差。在需要進(jìn)行差分測量,但沒有合適的測試設(shè)備時(shí),工程師有時(shí)會(huì)使用這種技術(shù)。

圖3:使用兩只單端探頭進(jìn)行準(zhǔn)差分測量

這種方法有幾個(gè)問題。只有在探頭和示波器通道非常匹配時(shí)(包括增益、偏置、延遲和頻響),這種方法才會(huì)得到很好的測量結(jié)果。該方法不能提供非常好的共模抑制(清除兩個(gè)輸入共有信號(hào)的任何AC部分或DC部分)。此外,如果兩個(gè)信號(hào)沒有正確定標(biāo),可能會(huì)出現(xiàn)示波器輸入過載的情況,得到錯(cuò)誤測量結(jié)果。

使用浮動(dòng)輸入

我們也可以使用“浮動(dòng)”示波器。這些示波器的每條輸入通道在電氣上與機(jī)箱接地隔離,然后示波器使用電池供電。示波器機(jī)箱到接地的寄生電容也非常低。浮動(dòng)示波器的這些隔離特點(diǎn),可以使用一只絕緣的無源探頭來進(jìn)行差分測量。這些儀器非常方便,使用簡便,效果好。但是,差分電壓探頭的電容較低,要求高度平衡。

匹配的差分探頭

為獲得最好的測量精度,使用技術(shù)指標(biāo)與測量任務(wù)相匹配的差分探頭通常是最佳的選擇。差分探頭是有源器件。它們在探頭尖端有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的差分放大器,只測量經(jīng)過兩個(gè)測試點(diǎn)的電壓,而不管任一測試點(diǎn)和接地之間的電位是多少,這就大大簡化了探測任務(wù),消除了某些可能的誤差來源。另外,由于它們只測量差分電壓,因此它們還可以忽略并清除可能存在的共模AC擺幅或DC偏置電壓。

由于被測器件(DUT)不同部分的測量可能有著完全不同的要求,因此必須審慎地選擇探頭。在圖4所示的實(shí)例中,手邊的任務(wù)是測量被測電源MOSFET開關(guān)器件的開機(jī)損耗、關(guān)機(jī)損耗以及傳導(dǎo)損耗。圖4是帶有測量點(diǎn)TP1和TP2的MOSFET的簡化示意圖。

圖4:帶有多個(gè)測試點(diǎn)的MOSFET的簡化示意圖

被測器件是一種“通用”電源,設(shè)計(jì)為從世界各國的AC線路(或“市電”)電壓供電。僅此一項(xiàng),就給工程師的測試要求及測試設(shè)備提出了多項(xiàng)要求:

這種器件的額定輸入電壓一般在80 VAC ~ 250 VAC或更寬。為表征全球各種輸入電壓下的性能,不僅要執(zhí)行一項(xiàng)測量,還要在多種輸入電壓下執(zhí)行一系列測量。這適用于被測試的每個(gè)性能參數(shù)。開關(guān)特點(diǎn)(及相應(yīng)損耗)預(yù)計(jì)在每個(gè)輸入電壓上都不同,可能不會(huì)以線性方式變化。這不僅提高了要執(zhí)行的測量總數(shù),還需要在測量之間實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性。 由于輸入供電電壓高達(dá)250 VAC,開關(guān)MOSFET中漏極和源極之間的電壓預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到354 V或更高。探測解決方案必需擁有足夠的通用性,來測量這些電壓以及在某些測試中還要能夠測量低得多的電壓。

被測電源的開關(guān)速率為250 kHz。根據(jù)測量帶寬常用的5倍法則,這相當(dāng)于要求1.25 MHz的測量帶寬。但這是現(xiàn)實(shí)世界信號(hào)速度的簡化版,因?yàn)殚_關(guān)器件的實(shí)際上升時(shí)間預(yù)計(jì)會(huì)超過它一個(gè)量級(jí)。同樣,可能還要考察尖峰、瞬態(tài)信號(hào)和其他噪聲。如果要測量上升時(shí)間為幾十納秒的信號(hào),那么探頭的上升時(shí)間應(yīng)在幾納秒。為在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例中準(zhǔn)確地進(jìn)行測量,測量系統(tǒng)的帶寬應(yīng)在350 MHz或更高。

小結(jié)

選擇最好的探頭與應(yīng)用關(guān)系密切,因此必須了解應(yīng)用的測量要求,確保探頭與工作完全適應(yīng)。對許多功率電子測量來說,差分探頭是一個(gè)明確的選擇,特別是沒有參考地電平的測量。對參考地電平的測量,單端探頭是一個(gè)很好的選擇,但注意不要使用10X探頭,以免過度衰減小信號(hào)。對低壓信號(hào),如紋波,最好使用1X探頭或2X探頭。

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