使用DPO示波器測量開關(guān)電源中的功耗

　電源需求的變化推動(dòng)了開關(guān)電源系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)變化，能夠測量和分析下一代開關(guān)式電源 (SMPS)的功耗至關(guān)重要。支持高得多的數(shù)據(jù)速度及千兆赫級(jí)處理器的新型電源，需要更大的電流和更低的電壓，在效率、功率密度、可靠性和成本方面給電源設(shè)計(jì)人員帶來了新的壓力。為滿足這些需求，設(shè)計(jì)人員正在采用新的結(jié)構(gòu)，其中包括同步整流器、有源功率系數(shù)校正和更高的開關(guān)頻率。這些技術(shù)也帶來了新的挑戰(zhàn)，如開關(guān)設(shè)備上的高功耗、溫度上升和EMI/EMC過高等影響。

　　了解這些影響的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是在開關(guān)過程中發(fā)生的功率損耗。在從“off”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“on”狀態(tài)的過程中，電源會(huì)發(fā)生更高的功率損耗。而開關(guān)設(shè)備處于“on”或“off”狀態(tài)時(shí)的功率損耗較低，因?yàn)榱鬟^設(shè)備的電流或加在設(shè)備上的電壓相當(dāng)小。

　　與開關(guān)設(shè)備有關(guān)的電感器和變壓器會(huì)平滑負(fù)荷電流隔離輸出電壓。這些電感器和變壓器還受到開關(guān)頻率的影響，會(huì)產(chǎn)生一定功耗，偶爾會(huì)由于飽和而發(fā)生故障。

　　由于開關(guān)電源中消耗的功率決定著電源的整體效率及熱量效應(yīng)，因此測量開關(guān)設(shè)備及電感器和變壓器上的功率損耗具有非常重要的意義，特別是在指明功率效率和溫度上升方面。因此，工程師需要測量和分析設(shè)備能夠在變化的負(fù)荷條件下迅速精確地測量和分析瞬時(shí)功率損耗。

　　需要精確測量和分析不同設(shè)備瞬時(shí)功率損耗的設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)如下：
　　● 如何組建測試設(shè)備，精確測量功率損耗
　　● 校正電壓探頭和電流探頭中的傳輸延遲引起的誤差
　　● 計(jì)算非周期性的開關(guān)周期中的功率損耗
　　● 在負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化時(shí)分析功率損耗
　　● 計(jì)算電感器或變壓器的核心損耗

　　幸運(yùn)的是，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了完善的功率分析軟件，這種軟件在最新一代數(shù)字熒光示波器上運(yùn)行，與示波器用戶界面擁有共同的“感觀”，提供了直觀的導(dǎo)航能力和簡便易用性。這種功率測量和分析應(yīng)用軟件可以幫助開關(guān)式電源設(shè)計(jì)人員在開關(guān)設(shè)備和磁性器件上精確執(zhí)行功率損耗分析，并執(zhí)行詳細(xì)的輸入/輸出分析。這些軟件的關(guān)鍵特點(diǎn)包括：“Hi-Power Finder”輔助工具 (下面更詳細(xì)地進(jìn)行了介紹)、完善的報(bào)告生成功能、波紋查看程序、能夠進(jìn)行磁性測量及迅速高效的偏移校正功能。

　　精確測量功率損耗的測試設(shè)置

　　圖1是開關(guān)式電源簡化的電路圖。由40 kHz 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的MOSFET控制著電流。圖1中的MOSFET沒有連接到AC市電接地或電路輸出接地上，因此使用示波器進(jìn)行簡單的參考接地電壓測量是不可能的，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該點(diǎn)短路。

　　進(jìn)行差分測量是測量MOSFET電壓波形的最佳途徑。通過差分測量，可以測量漏極到源極電壓 (V_DS)，其可能會(huì)位于幾十伏到幾百伏的電壓頂部，具體取決于電源范圍。

　　有幾種方法可以測量V_DS：
　　1. 浮動(dòng)示波器的機(jī)箱接地。不建議采用這種方法，因?yàn)槠浒踩苑浅２睿菀讓?duì)用戶造成人身傷害，損壞被測設(shè)備和示波器。
　　2. 使用兩個(gè)傳統(tǒng)無源探頭，其地線相互連接，同時(shí)使用示波器的通道數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。這種測量稱為“準(zhǔn)差分”方法。但是，與示波器放大器結(jié)合使用的無源探頭缺乏足夠的共模抑制比(CMRR)來充分阻塞任何共模電壓。這種設(shè)置不能充分測量電壓，但可以使用現(xiàn)有探頭。
　　3. 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，探頭可以直接連接到測試點(diǎn)上。探頭隔離器是一種有效的解決方案，但成本較高，其成本是差分探頭的2~5倍。
　　4. 在寬帶示波器上使用真正的差分探頭，精確測量V_DS。

　　為測量經(jīng)過MOSFET的電流，用戶先夾上電流探頭，然后微調(diào)測量系統(tǒng)。許多差分探頭擁有內(nèi)置DC偏置微調(diào)器。通過關(guān)閉被測設(shè)備，全面“預(yù)熱”示波器和探頭，設(shè)置示波器測量電壓和電流波形的平均值，并采用實(shí)際測量中將使用的靈敏度設(shè)置。在不存在信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)微調(diào)器把每個(gè)波形的平均值清零到0V。這最大限度地降低了測量系統(tǒng)中的靜止電壓和電流導(dǎo)致的測量誤差。

　　校正電壓探頭和電流探頭傳輸延遲引起的錯(cuò)誤

　　在開關(guān)式電源中進(jìn)行任何功率損耗測量前，非常重要的一點(diǎn)是同步電壓信號(hào)和電流信號(hào)，消除傳輸延遲，這一過程稱為“偏移校正”。傳統(tǒng)方法要求計(jì)算電壓信號(hào)和電流信號(hào)之間的偏移，然后使用示波器的偏移校正范圍手動(dòng)調(diào)節(jié)偏移。但是，這種方法耗時(shí)非常長。

　　但是，通過使用配備偏移校正夾具和功率測量軟件的高帶寬數(shù)字熒光示波器，可以大大簡化這一過程。為校正偏移，差分電壓探頭和電流探頭可以連接到偏移校正夾具的測試點(diǎn)上。偏移校正夾具通過示波器的輔助輸出或校準(zhǔn)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)。在需要時(shí)，偏移校正夾具也可以通過 外部來源驅(qū)動(dòng)。功率分析軟件的偏移校正功能將自動(dòng)設(shè)置示波器，計(jì)算探測導(dǎo)致的傳輸延遲。然后，偏移校正功能使用示波器的偏移校正范圍，針對(duì)偏移自動(dòng)進(jìn)行偏置?，F(xiàn)在，測試設(shè)置準(zhǔn)備就緒，可以進(jìn)行精確測量。圖2和圖3說明了偏移校正前和偏移校正后的電流信號(hào)和電壓信號(hào)。

　　計(jì)算非周期開關(guān)信號(hào)上的功率損耗

　　如果發(fā)射極或漏極接地，那么測量動(dòng)態(tài)開關(guān)參數(shù)非常簡單。但是，在浮動(dòng)電壓下，必須測量差分電壓。為精確檢定和測量差分開關(guān)信號(hào)，要求一個(gè)差分探頭。霍爾效應(yīng)電流探頭允許在不中斷電路的情況下，查看流經(jīng)開關(guān)設(shè)備的電流。可以使用功率分析軟件的自動(dòng)偏移校正功能，消除探頭引起的傳輸延遲。

　　對(duì)采集的數(shù)據(jù)測量開關(guān)設(shè)備的最小功率損耗、最大功率損耗和平均功率損耗，軟件中的“開關(guān)損耗”功能將自動(dòng)計(jì)算功率波形。然后，這些數(shù)據(jù)表示為開通損耗、截止損耗和功率損耗，如圖4所示。這為分析設(shè)備上的功耗提供了有用的數(shù)據(jù)。知道開機(jī)和關(guān)機(jī)的功率損耗后，用戶可以調(diào)節(jié)電壓和電流轉(zhuǎn)換，降低功率損耗。