[圖文]使用4000系列數(shù)字熒光示波器進(jìn)行電源測量(圖)

引言
電源分成許多不同的類型和規(guī)格，包括傳統(tǒng)線性電源到高效的開關(guān)電源（SMPS）。所有這些電源都面臨著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)工作環(huán)境。設(shè)備負(fù)載和需求在不同時(shí)間之間可能會(huì)大幅度變化。即使是“日常的”開關(guān)電源也必須能夠承受突然出現(xiàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均工作電流的峰值電流。

此外，必須檢定電源的功率電平、輸出純度和到電源線的諧波反饋，以滿足國家和地區(qū)電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。從歷史上看，這些測量類型意味著使用數(shù)字萬用表進(jìn)行靜態(tài)電流和電壓測量，然后在計(jì)算器或PC上進(jìn)行麻煩的計(jì)算。

今天，大多數(shù)工程師正轉(zhuǎn)向示波器作為首選的電源測量平臺(tái)。本應(yīng)用指南將重點(diǎn)介紹怎樣使用示波器進(jìn)行基本電源測量。

準(zhǔn)備電源測量
對(duì)習(xí)慣使用示波器進(jìn)行高帶寬測量的工程師來說，電源測量頻率相對(duì)較低，似乎非常簡單。事實(shí)上，電源測量也有很多高速電路設(shè)計(jì)人員從未見過的一系列挑戰(zhàn)。經(jīng)過開關(guān)設(shè)備的電壓可能會(huì)非常大，而且是“浮動(dòng)的”，即沒有參考接地。信號(hào)的脈寬、周期、頻率和占空比會(huì)變化，必須如實(shí)地捕獲波形，分析其不理想特點(diǎn)。
示波器必須具有基本帶寬和采樣率，處理SMPS內(nèi)部的開關(guān)頻率。電源測量要求示波器至少有兩條通道，一條用于電壓測量，一條用于電流測量。提高電源測量簡便程度和可靠性的工具也同樣非常重要。下面是部分考慮因素：
● 是否提供安全精確的電壓和電流探測解決方案？
● 是否有一種快速方式，調(diào)節(jié)探頭的不同延遲？
● 是否有使探頭偏置達(dá)到最小的有效流程？
● 儀器能否配備充足的記錄長度，以高分辨率捕獲很長的工頻波形？
這些特點(diǎn)為有效執(zhí)行電源設(shè)計(jì)測量奠定了基礎(chǔ)。

安全準(zhǔn)確地探測電壓波形和電流波形
在使用數(shù)字示波器進(jìn)行電源測量時(shí)，必須測量設(shè)備中的電壓及電流。這一任務(wù)要求使用兩只不同的探頭：一只電壓探頭(通常是高壓差分探頭)，一只電流探頭。圖1顯示了開關(guān)式電源(SMPS)中的典型測量方案。在范圍在幾kHz到幾MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)控制著電流。

圖1 簡化的開關(guān)式電源視圖

測量經(jīng)過MOSFET的電流相對(duì)簡單，可以使用許多不同的泰克霍爾效應(yīng)電流探頭完成，如TCP0030。而測量電壓則會(huì)面臨更多的問題。MOSFET沒有連接到交流電源接地或電路輸出接地上。因此，不可能使用示波器進(jìn)行接地參考電壓測量，因?yàn)榘烟筋^的地線連接到任何MOSFET端子上都會(huì)使通過示波器接地的電路短路。

進(jìn)行差分測量是測量MOSFET電壓的最佳方式。在差分測量中，可以測量漏極到源極電壓(VDS)，即MOSFET漏極和源極端子中的電壓。VDS可以位于幾十伏到幾百伏電壓的頂部，具體視電源的范圍而定。

可以通過多種方法測量VDS：
● 浮動(dòng)示波器的機(jī)箱接地。絕對(duì)不要采用這種方式，因?yàn)檫@種非常不安全，會(huì)給用戶、被測設(shè)備和示波器帶來危險(xiǎn)。
● 使用傳統(tǒng)無源單端探頭，把地線相互連接起來，使用示波器的通道匹配功能。這種測量方式稱為準(zhǔn)差分測量。但是，無源探頭與示波器的放大器結(jié)合使用時(shí)，不能提供充分阻塞任何共模電壓的共模抑制比(CMRR)。盡管用戶可能很想使用這種方法，因?yàn)榭梢允褂靡延械奶筋^，但它并不能準(zhǔn)確地測量電壓。
● 使用商用探頭隔離器，隔離示波器的機(jī)箱接地。探頭的地線不再位于接地電位，可以把探頭直接連接到測試點(diǎn)上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但它成本高，通常是差分探頭的2～5倍。
● 使用真正差分探頭。高壓差分探頭(如泰克P5205)可以準(zhǔn)確安全地測量V_DS。

消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)滯
每只電壓探頭和電流探頭都有自己的特性傳播延遲。電流探頭和電壓探頭之間的延遲差稱為時(shí)滯，會(huì)導(dǎo)致幅度和定時(shí)測量不準(zhǔn)確。

必須了解探頭的傳播延遲對(duì)最大峰值功率和面積測量的影響，因?yàn)楣β适请妷汉碗娏鞯某朔e。如果兩個(gè)相乘的變量沒有完美對(duì)準(zhǔn)，那么會(huì)得到不正確的結(jié)果。在探頭沒有正確“校正時(shí)滯”時(shí)，測量精度會(huì)下降，如開關(guān)損耗。圖2所示的測試設(shè)置比較了探頭尖上的信號(hào)(下方的曲線畫面)和傳播延遲后示波器前面板上的信號(hào)(上方的畫面)。

圖2 傳播延遲差(時(shí)滯)對(duì)電源測量的影響

消除探頭偏置
差分探頭一般會(huì)有較小的電壓偏置。這會(huì)影響精度，在繼續(xù)測量前必須消除這個(gè)電壓偏置。大多數(shù)差分電壓探頭擁有內(nèi)置的DC偏置調(diào)節(jié)控制功能，可以相對(duì)簡單地消除偏置。

在預(yù)熱后：
● 把示波器設(shè)置成測量電壓波形的平均值。
● 選擇實(shí)際測量中將使用的靈敏度(垂直)設(shè)置。
● 在不存在信號(hào)的情況下，把平均電平調(diào)節(jié)到0V(或盡可能接近0V)。
類似的，必須在執(zhí)行測量前調(diào)節(jié)電流探頭。

在消磁后：
● 把示波器設(shè)置成實(shí)際測量中將使用的垂直靈敏度。
● 在不存在信號(hào)的情況下，關(guān)閉電流探頭。
● 把DC平衡調(diào)節(jié)到零。
● 把平均值調(diào)節(jié)到0A或盡可能接近0A。
注意，某些探頭(如支持TekVPI的TCP0030)內(nèi)置了自動(dòng)消磁/自動(dòng)清零程序，用戶只需在探頭comp盒上按一個(gè)按鈕就可以了。

記錄長度在電源測量中的作用
示波器捕獲測量期間事件的能力取決于使用的采樣率及存儲(chǔ)采集的信號(hào)樣點(diǎn)的存儲(chǔ)器的深度(記錄長度)。存儲(chǔ)器的填充速度與采樣率直接成正比。在采樣率設(shè)置得足夠高時(shí)，存儲(chǔ)器會(huì)迅速填充。對(duì)許多電源測量，必須捕獲1/4周期或1/2周期(90或180)的工頻信號(hào)；有些測量甚至要求捕獲整個(gè)周期。泰克4000系列示波器標(biāo)配10M樣點(diǎn)的記錄長度，可以輕松地滿足這一需求。

然而，比長記錄長度更重要的是提供能夠利用所有這些數(shù)據(jù)的工具。4000系列的Wave Inspector是一套為輕松處理長記錄設(shè)計(jì)的工具。直觀的前面板Zoom和Pan控制功能可以迅速查看采集的波形的任何部分?？梢允褂们懊姘錝et/Clear Marks按鈕，把書簽放在波形上感興趣的點(diǎn)，然后使用前面板Previous(-)和Next(->)按鈕瀏覽波形。最后，強(qiáng)大的搜索功能可以找到和標(biāo)記整個(gè)長采集中發(fā)生的每個(gè)用戶指定標(biāo)準(zhǔn)。例如，我們使用4000系列全部10M點(diǎn)記錄長度，以4ns分辨率捕獲AC電源兩個(gè)周期期間的每個(gè)門驅(qū)動(dòng)脈沖。這一采集包含大約4000個(gè)脈沖。在輸入幾個(gè)簡單的搜索參數(shù)后，如通道1上的正脈沖，寬度小于2μs，門限為3.7V，Wave Inspector會(huì)迅速識(shí)別滿足標(biāo)準(zhǔn)的17個(gè)脈沖，并在格線頂部用白色三角形標(biāo)出了這些波形。然后通過再次使用前面板Previous和Next按鈕，我們可以迅速從一個(gè)事件跳到另一個(gè)事件。有了Wave Inspector以前需要幾小時(shí)完成的工作，現(xiàn)在只需幾秒鐘就可以完成。

執(zhí)行基本SMPS測量
開關(guān)式電源基礎(chǔ)知識(shí)
大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中流行的DC電源結(jié)構(gòu)是開關(guān)式電源，這些電源因能夠高效處理變化的負(fù)載而聞名。典型SMPS的電源“信號(hào)路徑”包括無源元件、有源元件和磁性元件。SMPS最大限度地減少了損耗元件的使用，如電阻器和線性模式晶體管，而重點(diǎn)使用沒有損耗(理想情況下)的元件：開關(guān)式晶體管、電容器和磁性元件。

SMPS設(shè)備還包括一個(gè)控制段，其中包含脈寬調(diào)制穩(wěn)定器、脈沖速率調(diào)制穩(wěn)定器和反饋環(huán)路等單元。控制段可以有自己的電源。圖1是簡化的SMPS示意圖，其中顯示了包括有源單元、無源單元和磁性單元的電源轉(zhuǎn)換段。

SMPS技術(shù)依托電源半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，如金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。這些設(shè)備提供了快速開關(guān)時(shí)間，能夠耐受沒有規(guī)律的電壓峰值。同樣重要的是，其在On狀態(tài)或Off狀態(tài)下消耗的功率非常小，實(shí)現(xiàn)了很高的效率，而生成的熱量很低。開關(guān)設(shè)備在極大程度上決定著SMPS的整體性能。開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵測量項(xiàng)目包括開關(guān)損耗、平均功率損耗、安全工作區(qū)等。

基本參數(shù)測量
盡管開關(guān)設(shè)備的功耗非常重要，但電源設(shè)計(jì)人員還需關(guān)注電源操作的許多其他方面，如基本幅度和定時(shí)測量，這在歷史上一直通過計(jì)算格數(shù)、然后乘以標(biāo)度系數(shù)完成。現(xiàn)代示波器提供了許多自動(dòng)測量功能，可以使用這些功能測量上述基本電源操作參數(shù)。4000系列包括下述自動(dòng)測量。

● 幅度測量：幅度、高、低、最大值、最小值、RMS、峰到峰值、正/負(fù)過沖、平均值、周期平均值、周期RMS。
● 定時(shí)測量：周期、頻率、上升/下降時(shí)間、正/負(fù)占空比、正/負(fù)脈寬、突發(fā)寬度、延遲、相位。
● 綜合測量：面積和周期面積。

幅度測量適用于測量輸入和輸出電壓，如VRMS、平均值、峰到峰值和周期RMS。定時(shí)測量可以幫助檢定驅(qū)動(dòng)信號(hào)行為，如脈寬和頻率。綜合測量計(jì)算電源波形下的面積，確定能量損耗。通過打開測量統(tǒng)計(jì)，可以確定長期變化，查看測量期間的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

測量瞬時(shí)功率
檢定開關(guān)晶體管中的瞬時(shí)功耗是幾乎每個(gè)電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一部分。選擇能夠在最壞操作情況下經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行的元件至關(guān)重要(如圖1中的電源MOSFET)。泰克TekVPI電流和電壓探測解決方案為這些測量提供了理想選擇。除提供安全測量解決方案外，它們還提供了非常簡便的時(shí)滯校正功能。通過TekVPI探頭，可以在工廠中測量傳播延遲，然后把傳播延遲存儲(chǔ)在探頭的內(nèi)存中。在TekVPI探頭連接到4000系列時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)設(shè)置相應(yīng)的時(shí)滯校正值，在電源測量中實(shí)現(xiàn)最大精度。也可以使用每條通道垂直菜單中的時(shí)滯校正功能，手動(dòng)校正非TekVPI探頭的時(shí)滯。TekVPI接口進(jìn)一步簡化了電源測量，它自動(dòng)為電壓波形和電流波形及以瓦特為單位的演算波形提供正確的標(biāo)度和單位。4000系列只需幾個(gè)簡單的步驟，就可以測量瞬時(shí)功率：
● 連接探頭；
● 按Autoset，示波器自動(dòng)調(diào)節(jié)垂直設(shè)置、水平設(shè)置和觸發(fā)設(shè)置，以查看波形；
● 把演算波形定義為Ch1*Ch2；
● 打開Area測量，測量曲線下的面積(能量)；
● 光標(biāo)讀數(shù)表明瞬時(shí)功率。通過使用測量選通，我們可以把Area測量限制在特定區(qū)域，查看與MOSFET的啟動(dòng)時(shí)間(Ton)和關(guān)閉(Toff)時(shí)間有關(guān)的功率損耗。

安全工作區(qū)
晶體管的安全工作區(qū)(SOA)定義了設(shè)備在不會(huì)自行損壞的情況下工作的條件。如果超過這些限制，晶體管可能會(huì)失效。SOA還包括其他設(shè)備限制，如最大電壓、最大電流、功率、平均聯(lián)接溫度、二級(jí)故障等。

開關(guān)設(shè)備制造商的產(chǎn)品技術(shù)資料會(huì)概括對(duì)開關(guān)設(shè)備的某些限制。其目標(biāo)是保證開關(guān)設(shè)備將容忍電源在最終用戶環(huán)境中必須處理的工作邊界。SOA 測試變量可能包括各種負(fù)荷方案、工作溫度變化、高和低線路輸入電壓等?？梢允褂?000系列，在XY畫面中繪制電壓對(duì)電流曲線，查看SOA。

測量線路諧波
開關(guān)電源一般會(huì)生成以奇數(shù)階為主的諧波，直到電網(wǎng)。其影響具有累積性特點(diǎn)，隨著連接到電網(wǎng)的開關(guān)電源越來越多(如辦公室中增加更多的臺(tái)式電腦)，返回電網(wǎng)的諧波失真的總百分比會(huì)上升。由于這種失真會(huì)導(dǎo)致熱量在電網(wǎng)的線纜和變壓器中積聚，因此必須使諧波達(dá)到最小。業(yè)內(nèi)制定了IEC61000-3-2等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控來自特定非線性負(fù)荷的電源質(zhì)量。

由于標(biāo)配快速傅里葉變換(FFT)功能，4000系列提供了杰出的諧波分析工具。具有FFT功能的示波器的經(jīng)濟(jì)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于購買專用諧波分析儀，而且允許使用熟悉的儀器來做另一項(xiàng)工作。4000系列采用FFT，以類似頻譜分析儀的方式顯示信號(hào)頻率成分。它甚至可以在屏幕上同時(shí)顯示信號(hào)波形及頻域等效波形，這通常很有裨益?？梢允褂肕ATH按鈕菜單下的FFT特定菜單，簡便地控制4000系列FFT?？梢栽诨顒?dòng)信號(hào)上或調(diào)用的存儲(chǔ)波形上執(zhí)行FFT。

這一程序并不比進(jìn)行普通波形測量困難。在這種情況下，由于信號(hào)是一個(gè)重復(fù)的周期波形(而不是某種瞬態(tài)信號(hào))，因此觸發(fā)和顯示信號(hào)非常簡單。應(yīng)至少顯示五個(gè)周期，以保證良好的頻率分辨率，垂直標(biāo)度應(yīng)設(shè)置成信號(hào)占用顯示屏上盡可能多的垂直格。

用戶配置的參數(shù)包括垂直標(biāo)度和FFT窗口格式?？梢允褂镁匦未翱凇amming窗口、Hanning窗口和Blackman-Harris窗口，每種口適用特定的信號(hào)類型。對(duì)周期重復(fù)的信號(hào)，如本例中的信號(hào)，Hamming窗口通常是最佳窗口。FFT顯示的垂直標(biāo)度可以是線性標(biāo)度或?qū)?shù)標(biāo)度。

利用4000系列示波器對(duì)電源負(fù)荷電流的諧波進(jìn)行分析，可以使用光標(biāo)，測量各個(gè)頻率成分或頻率的幅度。在許多電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，非常重要的一個(gè)部分是證明滿足電源質(zhì)量法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。4000系列提供了全系列存儲(chǔ)和打印功能，幫助用戶完成這一工作。專用HARD COPY按鈕把屏幕截圖發(fā)送到連接示波器USB端口的打印機(jī)上，還可以使用各種格式把圖像保存到U盤或CompactFlash卡中。

調(diào)試電源
數(shù)字化示波器在電源測量領(lǐng)域中非常常見，但4000的數(shù)字熒光采集技術(shù)在調(diào)試時(shí)有著很大的差異，特別是在識(shí)別開關(guān)電源的調(diào)制效應(yīng)過高時(shí)。4000系列的波形捕獲速率要比典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)高出許多倍。在考察調(diào)制效應(yīng)時(shí)，這提供了兩個(gè)優(yōu)勢。首先，示波器在大多數(shù)情況下是活動(dòng)的，只用很少的時(shí)間處理波形進(jìn)行顯示。因此，示波器捕獲調(diào)制的機(jī)會(huì)提高了數(shù)百倍。其次，數(shù)字熒光顯示可以更簡便地實(shí)時(shí)查看被調(diào)制波形。4000顯示屏?xí)訌?qiáng)信號(hào)曲線經(jīng)過頻次最高的區(qū)域，這在很大程度上與模擬示波器類似。調(diào)制要比連續(xù)重復(fù)的主要波形暗。

可以使用4000系列簡單地查看調(diào)制影響。圖3顯示了控制著電源中電流模式控制環(huán)路輸出的被調(diào)制信號(hào)。調(diào)制在控制環(huán)路的反饋系統(tǒng)中具有重要意義。但是，調(diào)制太多會(huì)導(dǎo)致環(huán)路變得不穩(wěn)定。注意，在調(diào)制頻次較低的區(qū)域中，波形較暗。

使用4000系列捕獲瞬態(tài)信號(hào)也非常簡單。其邊沿觸發(fā)功能為設(shè)置跳變沿、電平、耦合和觸發(fā)延遲提供了所需的全部靈活性。如果被測電源已經(jīng)集成到系統(tǒng)中，可能要觸發(fā)系統(tǒng)中其他地方的“問題”信號(hào)，監(jiān)測電源上的測試點(diǎn)，查看是否有同時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)信號(hào)。

圖3 調(diào)制對(duì)電源控制環(huán)路的影響

當(dāng)然，電源的DC輸出還必須干凈，沒有瞬態(tài)信號(hào)。4000系列的滾動(dòng)模式與峰值檢測功能相結(jié)合，為查看低速信號(hào)或DC電平上的畸變提供了最佳的工具。滾動(dòng)模式從左到右慢慢地滾動(dòng)曲線，這在很大程度上與帶狀記錄紙、記錄器類似。它以非常慢的掃描速度生成清楚明亮的曲線。峰值檢測功能允許示波器捕獲最窄1ns的毛刺，甚至支持較低的掃描速度。這兩種功能相結(jié)合，得到了一個(gè)穩(wěn)定有效的曲線，可以立即揭示瞬態(tài)信號(hào)。

總結(jié)
電源測量不再是功率計(jì)和諧波分析儀等專用工具的專屬領(lǐng)地。4000系列數(shù)字熒光示波器與各種電壓探頭和電流探頭相結(jié)合，為現(xiàn)代開關(guān)式電源提供了安全的測量和調(diào)試解決方案。