示波器耦合方式對電源負(fù)載動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性測試結(jié)果的影響

開關(guān)電源測試中通常都要測量負(fù)載動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性,其目的是測試輸出負(fù)載變化情況下，電源輸出電壓穩(wěn)定在整定值的能力。最關(guān)注的測試指標(biāo)是過沖幅度和恢復(fù)時(shí)間。圖一所示為過沖幅度和恢復(fù)時(shí)間的定義及測試方法接線圖?；謴?fù)時(shí)間是指直流輸出電壓隨著負(fù)載的變化開始出現(xiàn)過沖開始，恢復(fù)至小于等于并不再超過負(fù)載調(diào)整率處止的這段時(shí)間。（沒有輸出負(fù)載調(diào)整率要求的以輸出電壓范圍界定）

圖一過沖幅度和恢復(fù)時(shí)間的定義及測量方法接線圖

過沖幅度是指負(fù)載變化帶來的過沖的最大值和電壓穩(wěn)態(tài)值的電壓差。測試要求在全范圍輸入電壓條件下，分別測試輸出負(fù)載按照額定值的25%－50%－25%，以及按照額定負(fù)載的50%-75%-50%跳變時(shí)，觀察示波器上檢測到的過沖幅度和恢復(fù)時(shí)間，按圖一定義記錄過沖幅度及恢復(fù)時(shí)間。輸出電流變化速度要求不小于一定的值（根據(jù)不同電源要求的規(guī)格書或司標(biāo)要求而定），跳變時(shí)間間隔要大于完全穩(wěn)定所需時(shí)間（穩(wěn)定時(shí)間長表明環(huán)路會(huì)比較慢，需要注意考察其他相關(guān)項(xiàng)目是否合格），示波器上波形建議有2到3個(gè)周期為好（包括正、負(fù)）。

問題：在進(jìn)行上述測試時(shí)，示波器通道耦合方式應(yīng)該選擇為交流耦合還是直流耦合？很多公司都按交流耦合的方式測試。我之前也沒有懷疑過這種方法，直到有一天有客戶發(fā)現(xiàn)用D公司的示波器測試結(jié)果和力科的測試結(jié)果差別很大。如圖二所示，兩個(gè)示波器都是用AC耦合，力科示波器測量出來的恢復(fù)時(shí)間大約為27ms，D示波器測試出來的大約為198ms。如果按力科的測試結(jié)果就合格，按D的測試結(jié)果就不合格。

為什么會(huì)有上述差別？哪個(gè)結(jié)果是正確的?（有些工程師看到所在公司大都是用力科示波器，于是就認(rèn)為力科的結(jié)果是正確的;有些工程師看到所在公司用大都是用D公司的示波器，于是就認(rèn)為D公司的結(jié)果是正確的。遇到這種先入為主的判斷是在銷售示波器的過程中令人感到痛苦甚至有點(diǎn)傷心的時(shí)刻。）

圖二力科示波器測量的恢復(fù)特性

圖三D公司示波器測量的恢復(fù)特性

二、示波器的AC耦合

示波器的AC耦合方式通常理解為在示波器的輸入通道增加了一個(gè)隔直電容，示波器的前端放大器的特性在AC耦合時(shí)表現(xiàn)為帶通濾波器。不接探頭時(shí)，力科示波器和D公司的示波器在AC耦合時(shí)的低頻段的截止頻率是很接近的，都小于10Hz（典型值8Hz）。但D示波器在連接探頭之后的截止頻率會(huì)降低10倍，大約0.7Hz，這在頻域上理解就是不能完全隔斷直流信號(hào)，所以在時(shí)域上表現(xiàn)為充電時(shí)間更長，測試出來的恢復(fù)時(shí)間會(huì)大很多。力科示波器的截止頻率不受探頭的影響，截止頻率仍然是8Hz左右。這說明用D示波器的AC耦合方式測試出來的恢復(fù)時(shí)間的結(jié)果是完全錯(cuò)誤的。圖四和圖五分別畫出了兩種不同示波器在有無探頭時(shí)的幅頻特性。

圖四D示波器在連接探頭和不接探頭時(shí)的幅頻特性，連接探頭之后截止頻率降低10倍

圖五力科示波器在連接探頭和不接探頭時(shí)的幅頻特性是一樣的

我們可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上面的幅頻特性。將0.1Hz的方波信號(hào)通過BNC線直接輸入到D公司的示波器的通道1，同時(shí)通過無源探頭輸入到示波器的通道2。兩個(gè)通道都設(shè)置為AC耦合。圖六顯示了兩個(gè)通道測試出來的結(jié)果對比。通道1的恢復(fù)時(shí)間為30ms，通道2因?yàn)橥ㄟ^探頭連接，恢復(fù)時(shí)間非常長。為什么？還是那個(gè)原因，在連接探頭之后，截止頻率降低為0.7Hz，截止頻降低在時(shí)域上理解就是時(shí)間常數(shù)更大，充電時(shí)間更長，需要接近200ms。這就是為什么前面客戶用D公司的示波器來測試出來的恢復(fù)時(shí)間是那么地長。

圖六通道1為探頭連接，通道2為BNC線連接

圖七通道1為探頭連接，通道2為BNC線連接

將相同的信號(hào)按相同的方法分別輸入到力科的示波器的通道1和通道2，顯示兩個(gè)通道的測量結(jié)果是一致的。這說明力科示波器在AC耦合方式下，截止頻率不會(huì)因是否連接探頭而變化。為什么D公司的示波器的截止頻率會(huì)在AC耦合時(shí)降低10倍呢？顯然，在D示波器中，AC耦合電容是直接連接到通道輸入端的，而且AC耦合電路沒有任何buffer設(shè)計(jì)，截止頻率當(dāng)然就會(huì)受到外部輸入的影響,如圖八所示。不接探頭時(shí)，1M歐姆的輸入電阻和AC電容（大約0.02uF）串聯(lián)，時(shí)間常數(shù)為R * C，截止頻率為1/(2 * PI * R * C )=1/（2*3.14*1*10^6(1MOhm)*0.02* 10^-6），約等于8Hz。當(dāng)接上X10無源探頭之后，探頭的9M歐的電阻和輸入端1M歐電阻串行在了一起，時(shí)間常數(shù)增加10倍，截止頻率降低10倍。

圖八示波器的輸入電路原理框圖

在力科示波器設(shè)計(jì)中，我們有兩種方法保證截止頻率不受到外部連接探頭等輸入源的影響，一種方法是將AC耦合電路放在了放大器的后面，另外一種方法是通過緩沖器將探頭的電阻和AC耦合電容隔離出來，保證時(shí)間常數(shù)（截止頻率）基本不變。力科的某款示波器的AC耦合電路設(shè)計(jì)如圖九所示，通過耦合電容左邊的400K歐電阻與探頭的9M歐電阻及輸入端800K歐電阻并聯(lián)，然后再和耦合電容及400K歐的電阻串聯(lián)，時(shí)間常數(shù)中的R由1M歐變化為784K歐，因此，截止頻率基本不變。

圖九帶有Buffer的AC耦合電路設(shè)計(jì)

三、正確的測量方法

既然力科的AC耦合不受探頭的影響，那么是否可以說負(fù)載動(dòng)態(tài)特性的測量的正確方法是：第一，如果要使用無源探頭測量恢復(fù)時(shí)間，就一定要用力科示波器并將耦合方式設(shè)置為AC耦合。第二，如果迫不得已，一定要用D公司的示波器就必須用BNC線來測量并一定要將耦合方式設(shè)置為AC耦合？

用AC耦合方式就一定是正確的嗎？讓我們跳出力科示波器和D公司示波器的思維圈子，以純學(xué)術(shù)性思維來思考電源負(fù)載動(dòng)態(tài)恢復(fù)特性測量這一問題的本身。如果我們仔細(xì)觀察圖三中D示波器測量的波形，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)開始部分（藍(lán)色標(biāo)記的部分）下降得很快，我想這部分可能表示了真正的電路恢復(fù)特性。在力科的測量波形看不到下降特別快的單獨(dú)部分，但D示波器有很長的時(shí)間常數(shù)，所以可看出不同的表現(xiàn)形式。事實(shí)上，對于電源動(dòng)態(tài)負(fù)載恢復(fù)時(shí)間測量，我們希望測量到的應(yīng)是圖九所示的紅圈標(biāo)識(shí)部分的時(shí)間。將此波形分解為兩部分，一部分是在穩(wěn)態(tài)電壓，另外一

圖十示波器在DC耦合方式下測量恢復(fù)時(shí)間

部分是從負(fù)載跳變的轉(zhuǎn)換部分。在DC耦合時(shí)兩部分理論上都能準(zhǔn)確地測量出來，如圖十一的藍(lán)色虛線所示。但在AC耦合時(shí)，測量到的紅色部分是由AC耦合電容和電阻構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)大小決定的。藍(lán)色的轉(zhuǎn)換部分可能會(huì)受到AC耦合的時(shí)間常數(shù)的影響。如果AC耦合的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于被測電源的恢復(fù)時(shí)間，那么可以用AC耦合方式，但在實(shí)際測量中通常都難以滿足這個(gè)條件。

為了準(zhǔn)確的測量，您需要消除掉紅色部分的的影響，因此，最好是用DC耦合。圖十二的通道1和通道2波形分別是DC耦合和AC耦合時(shí)的測量結(jié)果。但在DC耦合下，又有兩個(gè)問題：第一，被測電壓很大時(shí)，譬如測量48V的電壓，示波器的量程需要設(shè)置得比較大(譬如10V/div)，這時(shí)候負(fù)載變化帶來的電壓轉(zhuǎn)換部分在示波器中的所占的區(qū)域就很小，量化誤差很大，難以準(zhǔn)確分辨、測量出過沖幅度和恢復(fù)時(shí)間。如果將示波器量程設(shè)置小一些，就需要大幅度調(diào)節(jié)DC偏置電壓，但在小量程下普通無源探頭的偏置電壓范圍是有限的，那么示波器就可能顯示不出來負(fù)載變化的部分。第二，負(fù)載的快速動(dòng)態(tài)變化會(huì)使探頭和示波器的放大器有過載的可能從而產(chǎn)生過載恢復(fù)時(shí)間和過載電壓，這也會(huì)影響到測量結(jié)果。

圖十一DC耦合與AC耦合對測量的影響

圖十二DC耦合和AC耦合測量結(jié)果差異

那么該怎樣測量輸出電壓比較大的電源動(dòng)態(tài)負(fù)載恢復(fù)時(shí)間呢？力科的DA1855A差分放大器提供了很好的解決上述問題的方法。DA1855A具有很大的偏置范圍、非常優(yōu)異的過載恢復(fù)能力及最好的共模抑制比。在DC耦合下也不用擔(dān)心偏置電壓范圍。對于小電壓的恢復(fù)時(shí)間測量，就直接用普通無源探頭，設(shè)置為DC耦合方式就可以了。