力科示波器基礎(chǔ)應用系列之六——開關(guān)功率器件的測試

現(xiàn)今電子行業(yè)所使用的電源絕大部分都是開關(guān)電源。開關(guān)電源中的輸出功率是依靠一系列的門驅(qū)動脈沖來控制的，當負載增大需要更多的功率輸出時，控制輸出電壓的反饋回路會調(diào)整門驅(qū)動脈沖的寬度（脈沖寬度變寬）；相反，當負載減小，脈沖寬度會變窄。為了驗證供電設(shè)備的性能，工程師會做一系列的測試，主要包括安全工作區(qū)測試（SOA），功率損耗，上端柵極測量，動態(tài)阻抗分析，控制環(huán)路響應，電源輸出紋波，線電流諧波，功率因數(shù)，實際/視在功率等等。

測量電源隨負載變化的響應

不論是電源設(shè)計工程師還是在他們的產(chǎn)品中使用電源部件的工程師，他們關(guān)心的首要問題就是，電源跟隨負載變化的響應情況如何？圖1中顯示的是當負載減小時電源性能變化的分析，這種情況和增加負載時是類似的。右下角的時基標簽顯示當前的時基范圍是 1ms/division，所以屏幕顯示的信號總時間長度是10ms，采樣率是1.0 GS/s，對于開關(guān)電源信號來說這種采樣率已經(jīng)足夠了，屏幕顯示的采樣點數(shù)量是10MSamples（標簽顯示“10MS”）。

圖 1: 最上柵格捕獲了10ms門驅(qū)動脈沖波形。第二個波形顯示對于門驅(qū)動脈沖所有脈寬的跟蹤值。第三和第四個波形是對于門驅(qū)動脈沖信號在不同負載狀態(tài)下的放大波形

圖1中最上面柵格顯示的是示波器捕獲的門驅(qū)動脈沖，負載變化前的時間是1ms，變化后的時間大概是9ms。柵格下面黃色的小三角標識，指示的是觸發(fā)位置。在觸發(fā)位置前和觸發(fā)位置后大概半個柵格的內(nèi)置，有兩部分高亮的波形，其中紅色高亮的部分的放大波形在第三個柵格中顯示，紫色高亮的波形在底部柵格顯示。這兩個放大的波形顯示的是負載變化之前（紅色）和負載變化大約500us之后（紫色）的門驅(qū)動脈沖寬度。放大的波形中，我們用肉眼即可觀察到負載大時電源輸出更多功率（脈沖寬度更寬），負載減小時輸出功率更小（脈沖寬度減?。?。

以上的討論是基于肉眼觀察得出的，電源輸出功率對于負載變化的響應可以從圖1中的第二條藍色曲線更深入的分析。這條曲線是對于門級驅(qū)動脈沖寬度值的跟蹤曲線。數(shù)字示波器最擅長顯示基于時間的一系列數(shù)值，這些數(shù)值不一定必須是電壓vs時間或者電流vs時間。在上面的電源測試案例中，工程師其實最關(guān)心的是：“電源的控制回路是如何響應外接負載的變化的？”基于此，藍色的跟蹤曲線更能夠說明問題。剛開始的1ms時間內(nèi)，門驅(qū)動脈沖寬度較大，隨后由于負載變化，脈沖寬度急劇減小，然后又增大出現(xiàn)一個小的尖峰，接著回落一些，隨后緩慢增大，而后穩(wěn)定于新負載值。電源設(shè)計工程師可以使用數(shù)字示波器的這一測試功能，比如，還可以跟蹤脈沖邊沿的下降時間、波形最小值等等，工程師如果想要對控制回路的響應特性進行調(diào)試，可以先將這一波形保存下來，然后重新改進電源控制回路設(shè)計，然后再重復進行測量，將兩次的測量結(jié)果做比較，驗證調(diào)試的效果。必要的時候還可以將兩條跟蹤曲線相減，可以更直觀得看到差別。數(shù)字示波器的這一功能，能夠?qū)㈤_關(guān)電源控制回路的階躍負載變化響應變得可視化，并進行精確測量，驗證電源特性。

測量電源安全工作區(qū)（SOA）

不管是電源的設(shè)計者還是將電源器件集成到產(chǎn)品中的工程師，都需要保證電源在不同的工況下能夠工作在安全區(qū)內(nèi)。另外，也要求電源不會輸出過高的電壓/電流脈沖。工程師還需要確定緩沖二極管可以正常工作。測量SOA時，示波器的一個通道測量開關(guān)電源器件的電壓值，另一個通道測試線路流過的電流。然后根據(jù)捕獲的電壓vs時間波形和電流vs時間波形，繪出電壓vs電流的XY圖。注意到圖2中時基標簽標明當前采集時間是2 msec/div，采樣率100 MS/s，總的采樣點為2 MS (megasamples)。

圖2：上圖中，黃色曲線為電壓vs時間。藍色為電流曲線。XY圖的橫軸為電壓值，縱軸為電流值

進行SOA測試時，“不安全”的部分位于XY圖中右上角的采樣點。這些采樣點電壓值和電流值都很高。使用力科示波器進行SOA測試時，用戶可以在XY圖上放置一個游標，將游標移至感興趣的采樣點位置，屏幕右下角將會顯示游標位置的電壓和電流vs時間的值。這一功能對用戶進行SOA測試非常方便。儀器剛開始采集到的SOA不安全采樣點可能意味著浪涌電流的問題，或者之后遇到的不安全采樣點問題，可能意味著對于負載突然變化的階躍響應問題。

其它測量

此文不太可能覆蓋到所有的開關(guān)電源測量項。如果您要了解更多測量案例請登錄www.lecroy.com。網(wǎng)站上的測量案例包括瞬時功率，功率損耗，動態(tài)電阻值，實際功率和視在功率，線電流諧波、怎樣使用脈寬調(diào)制分析（圖1）測試電源軟啟動過程和其它一些類型的測量等。

所有這些測量案例都基于測量功率器件的電壓和電流值。其中，最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是使用最合適的探頭進行安全準確的測量。力科提供了大量可選的解決方案，電流探頭（最大500A）和電壓探頭（最大20kV）。在一些應用場合，需要對浮地電壓進行測量，可以選用ADP300（20MHz帶寬）和ADP305（100MHz）的高壓差分探頭，最大測量1.4kV差分電壓值。在其他一些測試場合，工程師往往需要測試大電壓上疊加的小信號值，在這些案例中可以使用前端差分放大器。力科DA1855A提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的100，000:1 CMRR和超快的過載恢復能力。

總結(jié)

設(shè)計功率器件需要的測試項目很多，同樣集成功率器件也需要測試電源系統(tǒng)。使用力科示波器的上述測試項目和功能能夠大大縮短測量時間，簡化測量過程，加快產(chǎn)品的設(shè)計周期的同時不至于漏掉任何一個電源的缺陷，增加設(shè)計的可靠性。