測量電源上的輸出動態(tài)響應(yīng)：示波器接地問題

測量低電壓（＜1V）/高電流（30-150A）電源的示波器輸出紋波和動態(tài)響應(yīng)一直是一項挑戰(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?a target="_blank">檢測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方法，也可能得到失真的輸出測量，尤其是在應(yīng)用或去除動態(tài)負(fù)載時。我注意到兩個誤差來源：

• 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)同時在同一示波器上測量多個信號時，示波器可能在多個點接地測試設(shè)置，從而在所有通道中產(chǎn)生誤差。當(dāng)在同一臺示波器上同時顯示輸出電壓和輸出電流時尤其如此。

讓我們更深入地觀察第一個誤差源。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，可能淹沒嘗試測量的實際紋波。這種接地外殼電流的其他來源包括具有噪聲的實驗室電源本身（甚至在靜態(tài)負(fù)載情況下）和外部信號發(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發(fā)生器。

• 將動態(tài)負(fù)載放置在測試板上，不使用外部電子負(fù)載。

其他選項包括使用電池供電的示波器或具有隔離輸入的示波器。

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

例如，如果電壓監(jiān)測點和電流監(jiān)測點的電源地之間的電壓差為+40mV，且兩個監(jiān)測點的接地連接質(zhì)量相似，則電壓監(jiān)測點會出現(xiàn)+20mV的誤差，電流監(jiān)測點出現(xiàn)-20mV的誤差。電流監(jiān)視器通常具有幾百毫伏的信號，而計算機(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是電源輸出測試設(shè)置的示例，圖中監(jiān)測了輸出對大階躍負(fù)載的響應(yīng)，而且示波器還監(jiān)測著低電阻上的動態(tài)負(fù)載電流。我使用信號發(fā)生器獲得具有所需上升、下降時間和感應(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R500上的電流。

圖1：測試設(shè)置

圖2顯示了在應(yīng)用和去除59A脈沖負(fù)載時，同一臺示波器上的檢測電壓和檢測動態(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)。動態(tài)電流在接地的10mΩ電阻（圖1中的R500）上測量，是圖2中的綠色曲線。

圖2：連接到示波器時，具有動態(tài)電流檢測的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，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)，測試“通過”。觀察顯示10mΩ電流檢測電阻上電壓的三條綠色曲線通道，動態(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：電流檢測與示波器斷開時，相同動態(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，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，測試“失敗”。

裝置外測試經(jīng)驗

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

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