利用數(shù)字示波器測(cè)試開(kāi)關(guān)電源的方法

　　從傳統(tǒng)的模擬型電源到高效的開(kāi)關(guān)電源，電源的種類和大小千差萬(wàn)別。它們都要面對(duì)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求可能在瞬間發(fā)生很大變化。即使是“日用的”開(kāi)關(guān)電源，也要能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其平均工作電平的瞬間峰值。設(shè)計(jì)電源或系統(tǒng)中要使用電源的工程師需要了解在靜態(tài)條件以及最差條件下電源的工作情況。

　　過(guò)去，要描述電源的行為特征，就意味著要使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量靜態(tài)電流和電壓，并用計(jì)算器或PC進(jìn)行艱苦的計(jì)算。今天，大多數(shù)工程師轉(zhuǎn)而將示波器作為他們的首選電源測(cè)量平臺(tái)?，F(xiàn)代示波器可以配備集成的電源測(cè)量和分析軟件，簡(jiǎn)化了設(shè)置，并使得動(dòng)態(tài)測(cè)量更為容易。用戶可以定制關(guān)鍵參數(shù)、自動(dòng)計(jì)算，并能在數(shù)秒鐘內(nèi)看到結(jié)果，而不只是原始數(shù)據(jù)。

　　電源設(shè)計(jì)問(wèn)題及其測(cè)量需求

　　理想情況下，每部電源都應(yīng)該像為它設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型那樣地工作。但在現(xiàn)實(shí)世界中，元器件是有缺陷的，負(fù)載會(huì)變化，供電電源可能失真，環(huán)境變化會(huì)改變性能。而且，不斷變化的性能和成本要求也使電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。考慮這些問(wèn)題：

　　電源在額定功率之外能維持多少瓦的功率？能持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間？電源散發(fā)多少熱量？過(guò)熱時(shí)會(huì)怎樣？它需要多少冷卻氣流？負(fù)載電流大幅增加時(shí)會(huì)怎樣？設(shè)備能保持額定輸出電壓?jiǎn)幔侩娫慈绾螒?yīng)對(duì)輸出端的完全短路？電源的輸入電壓變化時(shí)會(huì)怎樣？

　　設(shè)計(jì)人員需要研制占用空間更少、降低熱量、縮減制造成本、滿足更嚴(yán)格的EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)的電源。只有一套嚴(yán)格的測(cè)量體系才能讓工程師達(dá)到這些目標(biāo)。

　　示波器和電源測(cè)量

　　對(duì)那些習(xí)慣于用示波器進(jìn)行高帶寬測(cè)量的人來(lái)說(shuō)，電源測(cè)量可能很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠漕l率相對(duì)較低。實(shí)際上，電源測(cè)量中也有很多高速電路設(shè)計(jì)師從來(lái)不必面對(duì)的挑戰(zhàn)。

　　整個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電壓可能很高，而且是“浮動(dòng)的”，也就是說(shuō)，不接地。信號(hào)的脈沖寬度、周期、頻率和占空比都會(huì)變化。必須如實(shí)捕獲并分析波形，發(fā)現(xiàn)波形的異常。這對(duì)示波器的要求是苛刻的。多種探頭——同時(shí)需要單端探頭、差分探頭以及電流探頭。儀器必須有較大的存儲(chǔ)器，以提供長(zhǎng)時(shí)間低頻采集結(jié)果的記錄空間。并且可能要求在一次采集中捕獲幅度相差很大的不同信號(hào)。

　　開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)

　　大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中主流的直流電源體系結(jié)構(gòu)是開(kāi)關(guān)電源（SMPS），它因?yàn)槟軌蛴行У貞?yīng)對(duì)變化負(fù)載而眾所周知。典型SMPS的電能信號(hào)路徑包括無(wú)源器件、有源器件和磁性元件。SMPS盡可能少地使用損耗性元器件（如電阻和線性晶體管），而主要使用（理想情況下）無(wú)損耗的元器件：開(kāi)關(guān)晶體管、電容和磁性元件。

　　SMPS設(shè)備還有一個(gè)控制部分，其中包括脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)器脈頻調(diào)制調(diào)節(jié)器以及反饋環(huán)路1等組成部分。控制部分可能有自己的電源。圖1是簡(jiǎn)化的SMPS示意圖，圖中顯示了電能轉(zhuǎn)換部分，包括有源器件、無(wú)源器件以及磁性元件。

　　SMPS技術(shù)使用了金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）與絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。這些器件開(kāi)關(guān)時(shí)間短，能承受不穩(wěn)定的電壓尖峰。同樣重要的是，它們不論在開(kāi)通還是斷開(kāi)狀態(tài)，消耗的能量都極少，效率高而發(fā)熱低。開(kāi)關(guān)器件在很大程度上決定了SMPS的總體性能。對(duì)開(kāi)關(guān)器件的主要測(cè)量包括：開(kāi)關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)及其他。

　　準(zhǔn)備進(jìn)行電源測(cè)量

　　準(zhǔn)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量時(shí)，一定要選擇合適的工具，并且設(shè)置這些工具，使它們能夠準(zhǔn)確、可重復(fù)地工作。當(dāng)然示波器必須具備基本的帶寬和采樣速率，以適應(yīng)SMPS的開(kāi)關(guān)頻率。電源測(cè)量最少需要兩個(gè)通道，一個(gè)用于電壓，一個(gè)用于電流。有些設(shè)施同樣重要，它們可以使電源測(cè)量更容易、更可靠。下面是一部分要考慮的事項(xiàng)：

　　儀器能在同一次采集中處理開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和斷開(kāi)電壓?jiǎn)?？這些信號(hào)的比例可能達(dá)到100，000:1。

　　有可靠、準(zhǔn)確的電壓探頭和電流探頭嗎？有可以校正它們的不同延遲的有效方法嗎？

　　有沒(méi)有有效的方法來(lái)將探頭的靜態(tài)噪聲降至最低？

　　儀器能夠配備足夠的記錄長(zhǎng)度，以很高的采樣速率捕獲較長(zhǎng)的完整工頻波形嗎？

　　這些特征是進(jìn)行有意義且有效的電源設(shè)計(jì)測(cè)量的基礎(chǔ)。

　　測(cè)量一次采集中的100伏和100毫伏電壓

　　要測(cè)量開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗和平均功率損耗，示波器首先必須分別確定在斷開(kāi)和開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)器件上的電壓。

　　在AC/DC變流器中，開(kāi)關(guān)器件上的電壓動(dòng)態(tài)范圍非常大。開(kāi)通狀態(tài)下開(kāi)關(guān)器件上通過(guò)的電壓取決于開(kāi)關(guān)器件的類型。在MOSFET管中，開(kāi)通電壓為導(dǎo)通電阻和電流的乘積。在雙極結(jié)型晶體管（BJT）和IGBT器件中，該電壓主要取決于飽和導(dǎo)通壓（VCEsat）。斷開(kāi)狀態(tài)的電壓取決于工作輸入電壓和開(kāi)關(guān)變換器的拓?fù)?。為?jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)的典型直流電源使用80Vrms到264Vrms之間的通用市電電壓。

　　在最高輸入電壓下開(kāi)關(guān)器件上的斷開(kāi)狀態(tài)電壓（TP1和TP2之間）可能高達(dá)750V。在開(kāi)通狀態(tài)，相同端子間的電壓可能在幾毫伏到大約1伏之間。顯示了開(kāi)關(guān)器件的典型信號(hào)特性。

　　為了準(zhǔn)確地進(jìn)行開(kāi)關(guān)器件電源測(cè)量，必須先測(cè)量斷開(kāi)和開(kāi)通電壓。然而，典型的8位數(shù)字示波器的動(dòng)態(tài)范圍不足以在同一個(gè)采集周期中既準(zhǔn)確采集開(kāi)通期間的毫伏級(jí)信號(hào)，又準(zhǔn)確采集斷開(kāi)期間出現(xiàn)的高電壓。要捕獲該信號(hào)，示波器的垂直范圍應(yīng)設(shè)為每分度100伏。在此設(shè)置下，示波器可以接受高達(dá)1000V的電壓，這樣就可以采集700V的信號(hào)而不會(huì)使示波器過(guò)載。使用該設(shè)置的問(wèn)題在于最大靈敏度（能解析的最小信號(hào)幅度）變成了1000/256，即約為4V。

　　泰克DPOPWR軟件解決了這個(gè)問(wèn)題，用戶可以把設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)中的RDSON或VCEsat值輸入圖4所示的測(cè)量菜單中。如果被測(cè)電壓位于示波器的靈敏度范圍內(nèi)，DPOPWR也可以使用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而不是使用手動(dòng)輸入的值。